前言導(dǎo)讀
腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface,BCI 或 Brain-Machine Interface,BMI），指在人或動(dòng)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(cè)量中樞神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)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(guò)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(chǎng)規(guī)模約230億人民幣，年復(fù)合增長(zhǎng)率約13%。據(jù)臻泰智能介紹，盡管我國(guó)腦機(jī)接口純?cè)O(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模不足百億人民幣，但在使用場(chǎng)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(lái)可能達(dá)到千億規(guī)模。
技術(shù)根源
毫無(wú)疑問(wèn)的，對(duì)于腦機(jī)接口而言，其技術(shù)根源還是在于“大腦”。
對(duì)于我們?nèi)祟惗裕娝苤?，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(hào)的樹突、計(jì)算信號(hào)的細(xì)胞體和發(fā)出信號(hào)的軸突。
神經(jīng)元通過(guò)突觸連接，大腦的神經(jīng)元通過(guò)稱為突觸的軸突-樹突相互連接以發(fā)送和接收信號(hào)，比如饑餓信號(hào)或者是能量補(bǔ)給信號(hào)，神經(jīng)元通過(guò)電信號(hào)進(jìn)行交流，動(dòng)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(guò)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(huì)啟動(dòng)動(dòng)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(hào)，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(jué)、表象、認(rèn)知和思維等直接轉(zhuǎn) 化為動(dòng)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(wú)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(hào)獲取技術(shù)，采集并解碼大腦活動(dòng)信號(hào)，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(cè)它可能用于交流和控制，至此，針對(duì)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(lái)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(wú)線電的電極陣列植入動(dòng)物和人類體內(nèi)。
1970年：美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)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(hào)。
1987年：美國(guó)科學(xué)家Phillip Kennedy通過(guò)將神經(jīng)營(yíng)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(guó)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?。S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(guó)際研討會(huì)首次給腦機(jī)接口明確的定義。
步入21世紀(jì)以后，人們對(duì)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?；谄邢蓿瑢?duì)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)。
腦機(jī)接口領(lǐng)域?qū)＠治?/span>
近兩年來(lái)，隨著腦科學(xué)和類腦科學(xué)、人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，腦機(jī)接口也受到了更多的矚目，而且隨著腦機(jī)接口的不斷深入，資本市場(chǎng)也高度聚焦該賽道，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2021年腦機(jī)接口領(lǐng)域融資規(guī)模創(chuàng)下新高，融資金額總計(jì)4.68億美元，同比增長(zhǎng)482%。相關(guān)專利也自然成為了熱點(diǎn)領(lǐng)域。
專利基礎(chǔ)信息
全球頂級(jí)學(xué)術(shù)平臺(tái)《nature》在其著名學(xué)術(shù)期刊《Nature Biotechnology》雜志上發(fā)表了一篇文章——《Patent landscape of brain–machine interface technology》，從專利角度對(duì)腦機(jī)接口進(jìn)行了全面的分析，對(duì)于部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)筆者引用至本文。
1984年-2020年專利申請(qǐng)情況進(jìn)行了歸納匯總，得出如下公開趨勢(shì)：
腦機(jī)接口專利公開趨勢(shì)
腦機(jī)接口領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)地域分布情況如下數(shù)據(jù)趨勢(shì)：
腦機(jī)接口專利地區(qū)分布
腦機(jī)接口領(lǐng)域?qū)＠匾獙＠麢?quán)人（申請(qǐng)人）分布情況如下數(shù)據(jù)趨勢(shì)：
腦機(jī)接口重要專利權(quán)人（申請(qǐng)人）分布
腦虎科技NeuroXess簡(jiǎn)介
腦虎科技是一家國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的通過(guò)柔性腦機(jī)接口技術(shù)來(lái)保護(hù)及探索大腦的生命科技公司。公司成立于2021年11月，聚焦最具想象空間的侵入式腦機(jī)接口設(shè)備研發(fā)。公司自主研發(fā)微創(chuàng)侵入式高通量柔性腦機(jī)接口技術(shù)，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，并在柔性電極、生物材料、芯片設(shè)計(jì)、核心算法、數(shù)字腦庫(kù)、植入方式、臨床應(yīng)用及生態(tài)建設(shè)等多環(huán)節(jié)全面領(lǐng)先。
NeuroXess（腦虎）致力于打破國(guó)外技術(shù)壟斷，建立起自身在柔性電極、生物材料、芯片設(shè)計(jì)、核心算法、植入方式、臨床應(yīng)用、生態(tài)建設(shè)等多環(huán)節(jié)的全面領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。我們希望通過(guò)自身努力，在2025年前成為該領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者。
腦虎科技圍繞“如何最大限度利用大腦和最低限度損傷大腦”的核心理念，從技術(shù)能力、臨床實(shí)驗(yàn)、商業(yè)化落地及團(tuán)隊(duì)建設(shè)四個(gè)方面各自取得了相當(dāng)矚目的進(jìn)展。
技術(shù)能力方面，公司已完成多個(gè)核心科技樹的建設(shè)，包括了神經(jīng)電極、生物材料、腦電芯片、醫(yī)療級(jí)植入體、高通量腦電圖儀、神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人及數(shù)字腦庫(kù)算法云平臺(tái)等，且核心技術(shù)均已申請(qǐng)專利保護(hù)。公司以核心科技樹視角建設(shè)了從科研到工業(yè)化的整體能力，構(gòu)筑了端到端的完整解決方案。
臨床實(shí)驗(yàn)方面，公司率先獲得國(guó)內(nèi)臨床倫理批件，開展了數(shù)例科研臨床實(shí)驗(yàn)并取得了良好的預(yù)期效果。華山醫(yī)院陳亮教授表示“在功能神經(jīng)外科領(lǐng)域，腦機(jī)接口的技術(shù)突破會(huì)對(duì)于腦疾病的治療，致病原理的研究，創(chuàng)新調(diào)控醫(yī)療器械等多個(gè)層面上，產(chǎn)生新的機(jī)會(huì)，我們積極樂(lè)觀地推動(dòng)相關(guān)的臨床研究”；瑞金醫(yī)院陸勇教授也表示“在漸凍癥、重度抑郁、成癮、癲癇等難治性腦病領(lǐng)域，對(duì)腦機(jī)接口等新技術(shù)帶來(lái)的臨床新范式也有強(qiáng)烈的需求和廣大應(yīng)用前景”。
商業(yè)化落地方面，公司同樣取得快速進(jìn)展，成立短短一年，公司自主產(chǎn)權(quán)的首批產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)落地，下游客戶包括醫(yī)療機(jī)構(gòu)、高校和科研院所，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)開始獲得商業(yè)化收入，并保持快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。
團(tuán)隊(duì)建設(shè)方面，腦機(jī)接口作為生命科學(xué)和信息技術(shù)交叉融合的系統(tǒng)工程，涉及傳感器、芯片、算法、AI、神經(jīng)科學(xué)、材料學(xué)、機(jī)器人、臨床醫(yī)學(xué)、倫理等多個(gè)學(xué)科，其中產(chǎn)學(xué)研醫(yī)交叉融合、環(huán)環(huán)相扣。公司成立至今，快速組建了一支來(lái)自國(guó)內(nèi)外多學(xué)科交叉復(fù)合的頂級(jí)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)原創(chuàng)自主核心技術(shù)突破，并以學(xué)術(shù)+商業(yè)“雙軌制”模式進(jìn)行組織設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)推進(jìn)。公司擁有獨(dú)家合作的頂級(jí)科學(xué)家顧問(wèn)團(tuán)，成員來(lái)自于中科院、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、哈佛大學(xué)、德州大學(xué)奧斯汀分校、萊斯大學(xué)及梅奧醫(yī)學(xué)中心等頂尖高校；在工程化能力建設(shè)上，公司亦吸納具有前瞻戰(zhàn)略眼光且戰(zhàn)斗力極強(qiáng)的商業(yè)化人才，管理層均來(lái)自業(yè)內(nèi)明星企業(yè)核心中高層，如微創(chuàng)醫(yī)療、美敦力、卡爾蔡司及阿里巴巴等。
2022年12月28日，腦虎科技NeuroXess正式宣布完成數(shù)億元人民幣A輪融資。本輪融資由中平資本領(lǐng)投，輕舟資本、國(guó)生資本（成都生物城）、上海賽領(lǐng)、演化博弈參與跟投，現(xiàn)有投資方盛大、聯(lián)新資本、紅杉中國(guó)持續(xù)追加投資。華興資本擔(dān)任本輪交易的獨(dú)家財(cái)務(wù)顧問(wèn)。
腦虎科技NeuroXess專利淺析
作為腦機(jī)接口關(guān)鍵器件，植入電極決定著腦電信號(hào)采集的數(shù)量和質(zhì)量，是保障腦機(jī)接口綜合性能的前提。
據(jù)信通院最新發(fā)布的《腦機(jī)接口總體愿景與關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告》中指出，植入到大腦中的微電極可以高空間分辨率和時(shí)間分辨率方式，精確記錄電極附近單個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)。傳統(tǒng)的植入式微電極由金屬和硅等硬質(zhì)材料制備而成，形成了以密西根電極和猶他電極為主的硬質(zhì)電極。隨著微納加工技術(shù)和電極材料不斷發(fā)展，微電極趨向于柔性、小型化、高通量和集成化發(fā)展，形成了以微絲電極、硅基電極和柔性電極為主的多元化發(fā)展局面。其中高性能柔性電極因其具有高生物相容性，有利于緩解免疫反應(yīng)，提高信號(hào)質(zhì)量，對(duì)實(shí)現(xiàn)大腦活動(dòng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的慢性記錄具有重要意義。
此前，中關(guān)村產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布了《腦機(jī)接口電極未來(lái)形態(tài)如何？從腦虎科技專利看電極技術(shù)創(chuàng)新》，文章基于腦虎科技專利，通過(guò)對(duì)比柔性電極與傳統(tǒng)剛性電極，研判未來(lái)電極形態(tài)是高通量、柔性與微創(chuàng)的。那么傳統(tǒng)的剛性電極弱在哪里？腦虎科技的柔性電極又有哪些創(chuàng)新點(diǎn)呢？
傳統(tǒng)的剛性電極弱在哪里？
1、易造成腦損傷。傳統(tǒng)電極材料多為剛性材料，一般比腦組織硬４個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這種機(jī)械性能的不匹配性很容易造成腦損傷。
2、不易黏附。剛性材料基本上未變形的表面形態(tài)難以適應(yīng)大腦的微動(dòng)態(tài)，缺乏細(xì)胞相容的粘附位點(diǎn)，不易黏附細(xì)胞等人體結(jié)構(gòu)。
3、引起免疫反應(yīng)。傳統(tǒng)電極材料本身的化學(xué)惰性會(huì)發(fā)生慢性免疫反應(yīng)，導(dǎo)致瘢痕組織和膠質(zhì)增生，并包裹在電極表面，嚴(yán)重影響導(dǎo)電性能。
4、壽命較短。在大腦微環(huán)境下，傳統(tǒng)電極材料易發(fā)生腐蝕，不僅使得導(dǎo)電性能喪失，甚至還會(huì)釋放有毒金屬離子，嚴(yán)重影響電極壽命。近年來(lái)，納米材料、碳基材料、天然高分子等柔性物質(zhì)因其多方面的優(yōu)勢(shì)成為電極的最佳候選材料。
腦虎科技的柔性電極有哪些創(chuàng)新點(diǎn)？
1、高通量
腦虎科技通過(guò)借鑒集成電路的制造工藝，采用光刻、布線的技術(shù),在平面上來(lái)做一個(gè)非常高密度的神經(jīng)電極的制備,借用集成電路龐大的加工能力和集成能力,把如此多的神經(jīng)電極記錄點(diǎn)集成到一個(gè)小小的芯片里,而且芯片還能微創(chuàng)植入到大腦里面,進(jìn)行大腦的采集和刺激，可達(dá)到同時(shí)記錄2600多個(gè)神經(jīng)元信號(hào)（目前腦虎科技與高通量技術(shù)相關(guān)的專利有CN114259234A、CN114460415A、CN114259234A、CN114636876A、CN112107307A、CN112107307B等）。
2、低創(chuàng)傷
微創(chuàng)植入能夠最大可能的減小創(chuàng)傷。腦虎科技一方面利用蠶絲蛋白把電極柔軟的表面固化,讓電極硬度介于血管和腦組織之間,方便植入,植入完成后,蠶絲蛋白便會(huì)溶解,逐漸恢復(fù)之前的柔軟；另一方面腦虎科技還使用操作微創(chuàng)植入的半自動(dòng)手術(shù)機(jī)器人，該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了電極植入的一鍵式全自動(dòng)操作以及全程無(wú)菌操作，植入精度高（目前腦虎科技與微創(chuàng)植入技術(shù)相關(guān)的專利包括CN114631884A、CN112099160B、CN112099160A等）。
3、長(zhǎng)期在體
腦虎科技采用蠶絲蛋白作為柔性材料，蠶絲蛋白具有天然抗菌、可降解、力學(xué)強(qiáng)度高等特性,相應(yīng)地以蠶絲蛋白為主體的柔性電極將繼承其自然屬性,在生物相容性、機(jī)械強(qiáng)度上要比化工或化學(xué)合成材料制成的電極有優(yōu)勢(shì)。據(jù)了解，腦虎科技已完成在鼠、兔、猴等多種動(dòng)物模型上的應(yīng)用測(cè)試，柔性神經(jīng)電極單器件集成上千通道，分辨率達(dá)到單神經(jīng)元精度，植入創(chuàng)口<0.7mm，在體時(shí)間超過(guò)8個(gè)月（目前腦虎科技與柔性技術(shù)相關(guān)的專利包括CN111870240A、CN111990993A、CN113616211A、CN113729717A、CN114259234A、CN114631822A、CN114631823A、CN114642436A、CN114678163A、CN114671935A、CN115120243A、CN106073771A/B等）。
未來(lái)，腦虎科技將始終秉承“通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)重塑和強(qiáng)化人的感知與認(rèn)知，進(jìn)而保護(hù)、探索并延伸?腦邊界，讓HI(人類智能)與AI(人工智能)實(shí)現(xiàn)從交互、到共生、再到孿生的發(fā)展”的使命，向夯實(shí)中國(guó)腦科學(xué)戰(zhàn)略新方向的目標(biāo)邁進(jìn)。
結(jié) 語(yǔ)
目前，隨著各大國(guó)內(nèi)廠商聯(lián)動(dòng)產(chǎn)學(xué)研醫(yī)生多方力量，不斷創(chuàng)新，必將推動(dòng)中國(guó)腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也會(huì)逐步擺脫國(guó)外競(jìng)品帶來(lái)的壓力和技術(shù)障礙，不過(guò)，國(guó)外巨頭公司和國(guó)內(nèi)新興企業(yè)在知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面布局更加緊密，腦機(jī)接口賽道上的各個(gè)國(guó)內(nèi)廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)逐漸激烈，屆時(shí)相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題也必將會(huì)成為各大腦機(jī)接口廠商的研究重點(diǎn)課題，后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品的的研發(fā)和專利事務(wù)值得持續(xù)關(guān)注。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
