腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface,BCI 或 Brain-Machine Interface,BMI），指在人或動物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。腦機(jī)接口是一種測量中樞神經(jīng)系統(tǒng)活動并將其轉(zhuǎn)換為替代、恢復(fù)、增強(qiáng)、 補(bǔ)充或改善自然中樞神經(jīng)系統(tǒng)輸出的系統(tǒng)，以改變中樞神經(jīng)系統(tǒng)與其外部/內(nèi)部 環(huán)境正在進(jìn)行的交互。
BCI 一直是研究人員感興趣的領(lǐng)域。最近，它已成為一個(gè)迷人的科學(xué)探究領(lǐng)域，并已成為證明大腦與技術(shù)之間直接聯(lián)系的可能手段。許多研發(fā)項(xiàng)目都貫徹了這一理念，也成為科學(xué)探究中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。腦機(jī)接口的研究可以追溯至二十世紀(jì)七十年代，經(jīng)過近五十年的研究，腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前，腦機(jī)接口技術(shù)正處于第三個(gè)階段——技術(shù)爆發(fā)階段。
根據(jù)Value Reports的報(bào)告，2027年，全球腦機(jī)接口的市場規(guī)模約230億人民幣，年復(fù)合增長率約13%。據(jù)臻泰智能介紹，盡管我國腦機(jī)接口純設(shè)備的市場規(guī)模不足百億人民幣，但在使用場景中與具體產(chǎn)業(yè)（如老齡化、心理疾病等）的結(jié)合具有明顯的放大效應(yīng)，未來可能達(dá)到千億規(guī)模。
技術(shù)根源
毫無疑問的，對于腦機(jī)接口而言，其技術(shù)根源還是在于“大腦”。
對于我們?nèi)祟惗?，眾所周知的，大腦中有 860 億個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)元用于發(fā)送和接收信息。盡管神經(jīng)元有許多不同的類型，但它們通常由三部分組成：接收信號的樹突、計(jì)算信號的細(xì)胞體和發(fā)出信號的軸突。
神經(jīng)元通過突觸連接，大腦的神經(jīng)元通過稱為突觸的軸突-樹突相互連接以發(fā)送和接收信號，比如饑餓信號或者是能量補(bǔ)給信號，神經(jīng)元通過電信號進(jìn)行交流，動作電位導(dǎo)致突觸釋放神經(jīng)遞質(zhì)，這些小分子與樹突上的受體結(jié)合，打開導(dǎo)致電流流過神經(jīng)元膜的通道，當(dāng)神經(jīng)元接收到時(shí)空突觸輸入的“正確”組合時(shí)，它會啟動動作電位。
基本原理
我們通常所認(rèn)為的腦機(jī)接口是利用中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的信號，在不依賴外周神經(jīng)或肌肉的條件下，把用戶或被試的感知覺、表象、認(rèn)知和思維等直接轉(zhuǎn) 化為動作，在大腦與外部設(shè)備之間建立直接的交流和控制通道。
腦機(jī)接口的基本原理是利用無創(chuàng)的腦電（EEG）、功能磁共振（f MRI）、功能近紅外（f NIRS）、腦磁（MEG）或有創(chuàng)的皮層腦電（ECo G）、微電極陣列（MEA）等腦信號獲取技術(shù)，采集并解碼大腦活動信號，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的指令控制外部設(shè)備。
腦機(jī)接口原理示意圖
發(fā)展脈絡(luò)
1929年：Hans Berger 教授首次發(fā)現(xiàn)腦電波，人們就推測它可能用于交流和控制，至此，針對腦機(jī)接口技術(shù)的研究正式開始。
1935年：哈佛醫(yī)學(xué)院的 Frederic Gibbs、Hallowell Davis 和 William Lennox 報(bào)告了使用 EEG 來改善癲癇癥的可能性。
1952年：西班牙神經(jīng)科學(xué)家 José M Delgado 開始將配備無線電的電極陣列植入動物和人類體內(nèi)。
1970年：美國國防高級研究計(jì)劃局啟動了一項(xiàng)利用 EEG 探索大腦通信的計(jì)劃。
1973年：加州大學(xué)洛杉磯分校的 Jacques Vidal 教授創(chuàng)造了“腦機(jī)接口”一詞，并提出了腦機(jī)接口項(xiàng)目的目標(biāo)，以分析 EEG 信號。
1987年：美國科學(xué)家Phillip Kennedy通過將神經(jīng)營養(yǎng)錐電極植入猴子體內(nèi)，構(gòu)建了第一個(gè)皮質(zhì)內(nèi)腦機(jī)接口。
1997年：美國食品和藥物管理局批準(zhǔn) DBS 用于治療特發(fā)性震顫和帕金森病（隨后于 2003 年批準(zhǔn)用于治療肌張力障礙和 2018 年用于癲癇）。
1999年：召開的第一屆腦機(jī)接口國際研討會首次給腦機(jī)接口明確的定義。
步入21世紀(jì)以后，人們對腦機(jī)接口的興趣與日俱增，各類研究機(jī)構(gòu)和公司紛紛投入此項(xiàng)研究?；谄邢?，對于21世紀(jì)后腦機(jī)接口的相關(guān)發(fā)展脈絡(luò)不在本文中展示，感興趣的讀者可以與筆者取得聯(lián)系，共同交流學(xué)習(xí)。
重點(diǎn)關(guān)注的8家腦機(jī)接口企業(yè)
目前，腦機(jī)接口廣泛關(guān)注，顯然腦機(jī)接口是一個(gè)廣闊的市場，眾多廠家紛紛進(jìn)入，賽道前景非常樂觀。筆者致力于并持續(xù)的對腦機(jī)接口進(jìn)行了研究，目前已梳理全球范圍內(nèi)近800家企業(yè)機(jī)構(gòu)，形成了頗有成效的全球腦機(jī)接口企業(yè)信息數(shù)據(jù)庫。筆者從諸多企業(yè)機(jī)構(gòu)中選擇了8家進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。
1、Neuralink
作為埃隆·馬斯克（Elon Musk）的合資企業(yè)，Neuralink正在開發(fā)一種通過機(jī)器人輔助程序放置在大腦中的植入物。
馬斯克過去曾表示，侵入性較小的Link裝置（與其他植入胸部區(qū)域的深部腦刺激系統(tǒng)相比）是通過顱骨植入的。這位企業(yè)家聲稱，它可以在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)在門診環(huán)境中植入，而無需使用全身麻醉，可以選擇移除或升級。
在 2020 年的一次網(wǎng)絡(luò)直播中，馬斯克將 Link 描述為一種帶有可充電電池的小型設(shè)備，可持續(xù)使用一整天，將電線嵌入大腦皮質(zhì)表面，可同時(shí)連續(xù)記錄 1，024 個(gè)神經(jīng)信號通道。它有一個(gè)用于跟蹤頭部運(yùn)動的六軸慣性測量單元，更多用于溫度等可測量的傳感器，以及一個(gè)與智能手機(jī)應(yīng)用程序連接的藍(lán)牙天線。
雖然馬斯克和公司官員表示，他們計(jì)劃在2020年申請F(tuán)DA批準(zhǔn)人體試驗(yàn)，但尚未獲得任何此類批準(zhǔn)。今年早些時(shí)候，Neuralink和加州大學(xué)戴維斯分校被負(fù)責(zé)任醫(yī)學(xué)醫(yī)師委員會（PCRM）指控“嚴(yán)重違反動物福利法”，引用了通過公共記錄訴訟獲得的文件。這些指控聲稱Neuralink給猴子造成了極大的痛苦。
多份報(bào)道稱，馬斯克對Neuralink進(jìn)展緩慢表示失望，但他吹捧了一個(gè)“展示和講述”，將展示Link設(shè)備在2022年10月31日的位置。
2、Synchron
Synchron，通過導(dǎo)管輸送的Stentrode腦機(jī)接口（BCI）植入物的開發(fā)商 - 目前普遍認(rèn)為他們是唯一一家利用血管捕獲大腦信號的BCI公司。
Synchron認(rèn)為，血管內(nèi)輸送方法可以使腦機(jī)接口技術(shù)比侵入性開放腦手術(shù)的替代選擇更簡單，更安全，更容易獲得。
上個(gè)月，該公司通過血管內(nèi)方法在美國完成了腦機(jī)接口植入。Stentrode設(shè)備是作為Synchron的Command試驗(yàn)的一部分植入的，在FDA研究設(shè)備豁免下運(yùn)行，以評估永久植入的腦機(jī)接口。
Command將評估該公司的運(yùn)動BCI技術(shù)在嚴(yán)重癱瘓患者中的安全性和有效性，旨在使患者能夠免提控制數(shù)字設(shè)備。研究結(jié)果包括使用大腦數(shù)據(jù)來控制數(shù)字設(shè)備并實(shí)現(xiàn)功能獨(dú)立性的提高。
據(jù)報(bào)道，Synchron崛起為競爭對手BCI開發(fā)商引起了馬斯克的注意，據(jù)說馬斯克曾向該公司詢問過一項(xiàng)潛在的投資。沒有提供關(guān)于該交易是否涉及compa345anies的合并，收購，合作或任何其他類型的合并的細(xì)節(jié)。
3、Blackrock Neurotech
雖然一些公司最近在BCI方面的進(jìn)步掀起了波瀾，但貝萊德的技術(shù)測試已經(jīng)在人類患者中進(jìn)行了近20年。自2004年以來，通過研究，Utah Array植入物一直在患者中使用，從那時(shí)起，F(xiàn)DA報(bào)告的嚴(yán)重不良事件為零。
2021 年，貝萊德神經(jīng)科技的 MoveAgain BCI 系統(tǒng)獲得了 FDA 的突破性設(shè)備指定，該系統(tǒng)為行動不便的患者提供了僅通過思考來控制一系列設(shè)備的能力。該公司在獲得突破性點(diǎn)頭時(shí)表示，MoveAgain BCI可以提供更好的流動性和獨(dú)立性，從而重返工作崗位，參加休閑活動并更有效，更快速地進(jìn)行溝通。
MoveAgain BCI包括一個(gè)植入大腦的陣列，然后解碼神經(jīng)元活動的運(yùn)動。然后將信號無線傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，如光標(biāo)或輪椅，讓人們控制他們的外部環(huán)境。
貝萊德和匹茲堡大學(xué)的康復(fù)神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室（Pitt RNEL）合作開發(fā)了第一個(gè)便攜式腦機(jī)接口（BCI），允許患者在家中參與研究試驗(yàn)。貝萊德的一位代表表示，這是該公司準(zhǔn)備明年初推出第一款商業(yè)產(chǎn)品的最后一步。
如果該設(shè)備商業(yè)化，它將標(biāo)志著人類首次在學(xué)術(shù)研究之外連接到計(jì)算機(jī)。
Blackrock Neurotech11月16日公布了用于其腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)的Neuralace下一代神經(jīng)接口。
它將Neuralace平臺設(shè)計(jì)為超高通道數(shù)的柔性電極。該公司在一份新聞稿中表示，它提供了對其未來BCI的推動的技術(shù)的一瞥。在視覺上看起來像一塊蕾絲。它比睫毛還細(xì)?？梢杂酶鞣N材料和圖案來設(shè)計(jì)它，它可以在大腦表面的大片區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4、ClearPoint Neuro
ClearPoint Neuro 于2021 年 7 月與貝萊德神經(jīng)科技達(dá)成協(xié)議，開發(fā)一種自動化手術(shù)解決方案，用于將 BCI植入神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者體內(nèi)，包括癱瘓、ALS、失明和聽力損失。
總部位于加利福尼亞州索拉納海灘的ClearPoint Neuro當(dāng)時(shí)的合作旨在利用其平臺和軟件與Blackrock Neurotech的猶他州陣列，為外科醫(yī)生提供臨床解決方案，該解決方案比迄今為止進(jìn)行的其他BCI植入手術(shù)更加精簡和有效。
今年早些時(shí)候，ClearPoint宣布與總部位于北卡羅來納州達(dá)勒姆的Higgs Boson Health合作，將基于ManageMySurgery平臺的面向患者的數(shù)字應(yīng)用程序推向市場。該應(yīng)用程序?qū)ｉT用于向大腦和脊柱輸送藥物，以及BCI技術(shù)。
5、BrainGate
BrainGate的神經(jīng)技術(shù)使用一系列植入大腦的微電極，讓人類只需思考即可操作計(jì)算機(jī)或機(jī)械臂等外部設(shè)備。研究性的BrainGate系統(tǒng)允許患有脊髓損傷，腦干中風(fēng)和ALS的人只需考慮自己癱瘓的手和手臂的運(yùn)動即可控制計(jì)算機(jī)光標(biāo)。
該公司已獲得FDA研究設(shè)備豁免，用于腦機(jī)接口技術(shù)的人體試驗(yàn)。2021 年 4 月，患有四肢癱瘓的 BrainGate 臨床試驗(yàn)參與者展示了皮質(zhì)內(nèi)無線、高帶寬 BCI 與外部無線發(fā)射器的使用。
BrainGate在其網(wǎng)站上表示，早期的臨床研究表明，該系統(tǒng)對先進(jìn)的假肢具有直觀的控制。該公司聲稱，該系統(tǒng)為癱瘓患者提供了對強(qiáng)大的輔助運(yùn)動和通信設(shè)備的輕松控制。
6、Neurable
Neurable最初是虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）應(yīng)用程序的開發(fā)商，包括2017年推出的一款精神控制的VR游戲。
福布斯的一份報(bào)告稱，在2019年籌集了600萬美元的A輪融資后，該公司的目標(biāo)是以耳機(jī)的形式為消費(fèi)者開發(fā)日常BCI產(chǎn)品。
“我們希望成為一家讓每個(gè)人都能輕松訪問神經(jīng)技術(shù)的公司，”該公司的網(wǎng)站寫道。
Neurable首席執(zhí)行官Ramses Alcaide博士告訴福布斯，使用VR展示了概念并證明了BCI技術(shù)的早期價(jià)值，使該公司能夠創(chuàng)建旨在推向市場的耳機(jī)外形。通過這一點(diǎn)，Neurable旨在使計(jì)算機(jī)界面更加直觀，并超越鍵盤，觸摸屏和語音界面的潛在限制。
7、Snap
Snap的NextMind腦電圖電極檢測大腦活動，以舒適地捕獲神經(jīng)信號，允許用戶執(zhí)行實(shí)時(shí)動作。
該公司設(shè)計(jì)了其腦機(jī)接口來解碼神經(jīng)活動，使人們能夠僅使用他們的思想來控制物體。其夾式設(shè)計(jì)允許將傳感器與頭帶、帽子和 AR/VR 耳機(jī)相結(jié)合。
總部位于巴黎的NextMind技術(shù)的潛力如此之大，以至于今年早些時(shí)候，它被Snap收購 - Snapchat是流行的Snapchat社交媒體應(yīng)用程序背后的公司。
8、Axoft
近日，神經(jīng)技術(shù)公司Axoft推出并宣布其腦機(jī)接口（BMI）指定為FDA突破性設(shè)備，以更好地治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病。該公司獲得了800萬美元的資金，用于資助FDA的臨床前研究，并擴(kuò)大其神經(jīng)植入物的原型“像大腦一樣柔軟”。
Axoft成立于2021年，由著名學(xué)者劉嘉與其學(xué)生Paul Le Floch博士、葉天陽博士聯(lián)合創(chuàng)立，是一家專注于柔性腦機(jī)接口技術(shù)研究的高科技公司，公司致力于研發(fā)出全柔性侵入式腦機(jī)接口，未來可應(yīng)用于癲癇診斷、高位截癱患者、功能區(qū)治療等領(lǐng)域以及臨床前科研領(lǐng)域，解決目前臨床上無法長期植入微創(chuàng)腦機(jī)接口、缺乏單神經(jīng)元分辨率的高帶寬電極、缺乏永久植入式腦機(jī)接口、缺乏30天甚至數(shù)年以上的穩(wěn)定診斷手段等痛點(diǎn)。
京公網(wǎng)安備11010802046783號
