腦機(jī)接口：腦科學(xué)研究底層核心工具，最大難點(diǎn)在于“讀腦”｜未來產(chǎn)業(yè)調(diào)研筆記

大腦是人體最神秘且復(fù)雜的器官，即便在科技高度發(fā)達(dá)的今天，人類對于大腦的了解和認(rèn)識還非常有限。2005年美國率先開啟“腦計(jì)劃”，2016年我國《“十三五”規(guī)劃綱要》將“腦科學(xué)與類腦科學(xué)研究”列為“國家重大科技創(chuàng)新和工程項(xiàng)目”，標(biāo)志“中國腦計(jì)劃”全面展開。

人類的大腦擁有大約860億個(gè)神經(jīng)元，這些神經(jīng)元之間通過放電產(chǎn)生的電傳導(dǎo)互相聯(lián)系，并以此來處理和傳遞信號，數(shù)量之繁密，勝過整個(gè)銀河系的星辰。因此，大腦之謎與宇宙之謎被稱為“兩大科學(xué)難題”。

腦機(jī)接口作為大腦與外界交互的信息渠道，不僅可以采集神經(jīng)元放電信號，還可以調(diào)控神經(jīng)元放電活動，是腦科學(xué)研究的底層核心工具。隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，近期多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)得到突破，腦機(jī)接口行業(yè)迎來快速發(fā)展期，也成為一、二級市場關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文將討論以下幾個(gè)市場較為關(guān)注的問題：

1、信號采集侵入式or非侵入式？

2、腦機(jī)接口的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

3、腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)上市公司

侵入式or非侵入式？

腦機(jī)接口（BCI）是大腦與外部設(shè)備之間的橋梁，由于大腦是最重要且最脆弱的器官，采集最高精度的腦電信號同時(shí)最小限度地傷害大腦是腦科學(xué)研究的首要問題。

根據(jù)用于信號采集的電級放置位置，腦機(jī)接口可以分為植入式、半植入式和非植入式。電極植入位置越來越深，所獲腦電信號質(zhì)量越來越好，所獲信號頻率越來越高。

非植入式腦機(jī)接口：是指無需通過侵入大腦，只需通過附著在頭皮上的穿戴設(shè)備來對大腦信息進(jìn)行記錄和解讀。這種技術(shù)雖然安全性高，但是信號質(zhì)量和分辨率較低，受到顱骨和噪聲的干擾。

半植入式腦機(jī)接口：是指將腦機(jī)接口植入到顱腔內(nèi)，但是在大腦皮層之外。這種技術(shù)可以獲得較高的信號強(qiáng)度和分辨率，同時(shí)降低免疫反應(yīng)和愈傷組織的風(fēng)險(xiǎn)。

植入式腦機(jī)接口：是指通過手術(shù)等方式直接將電極植入到大腦皮層，這樣可以獲得最高質(zhì)量的神經(jīng)信號，但存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，可能引發(fā)并發(fā)癥。

馬斯克旗下腦機(jī)接口公司Neuralink于1月28日完成的首例人類大腦設(shè)備植入手術(shù)采用的是植入式腦機(jī)接口，我國清華大學(xué)與宣武醫(yī)院團(tuán)隊(duì)年初完成的腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)采用的是半植入式腦機(jī)接口。

對于腦電信號采集不同技術(shù)路徑的優(yōu)劣，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員李孟接受第一財(cái)經(jīng)采訪時(shí)表示，不同技術(shù)路徑有不同應(yīng)用場景。非植入式優(yōu)點(diǎn)是用戶接受度高，但容易受到運(yùn)動干擾，例如搖頭、眨眼都會使信號變得非?；靵y，且由于采集的信號質(zhì)量差，目前只能處理0和1判斷的二分類任務(wù)，天花板較低；半植入式會造成大腦顱骨損傷，其采集的信號比非侵入式略強(qiáng)，但由于腦電信號解碼技術(shù)尚未完善，目前從應(yīng)用角度看與非植入式能夠?qū)崿F(xiàn)的性能相差無幾；植入式由于沒有間隙直接采集腦電信號，信號質(zhì)量高且不受運(yùn)動干擾，無論是從應(yīng)用還是科研角度，天花板都比較高，但需要解決設(shè)備“長期在體”和“低創(chuàng)傷”等問題。

李孟稱，非植入式腦機(jī)接口在特定的應(yīng)用場景下有其優(yōu)勢，例如睡眠監(jiān)測和干預(yù)場景，但目前面臨的核心問題是人類對于腦電信號的解析能力還不夠，從科研角度看仍需要通過侵入式腦機(jī)接口獲取更高質(zhì)量和更穩(wěn)定的腦電數(shù)據(jù)用于基礎(chǔ)研究。

中科院自動化研究所副研究員劉冰在接受第一財(cái)經(jīng)采訪時(shí)也表示，從腦學(xué)科研究的角度看，難點(diǎn)在于如何獲取有意義的腦電信號，而植入式腦機(jī)接口采集到的信號是最精準(zhǔn)且最有意義的。

綜合看，植入式腦機(jī)接口優(yōu)勢在于能夠采集到高分辨率腦電信號，在腦科學(xué)研究領(lǐng)域有較大需求，而非植入式腦機(jī)接口由于其用戶接受度高、風(fēng)險(xiǎn)低更容易商業(yè)化。根據(jù)信通院研究數(shù)據(jù)，全球腦接口企業(yè)中，目前20%從事植入式技術(shù)研發(fā)，80%從事非植入式技術(shù)研發(fā)。

從融資規(guī)?？?，植入式技術(shù)單家企業(yè)融資金額更高。信通院數(shù)據(jù)顯示，2013年到2023年第三季度，植入式領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)投資超過40億美元，全球獲投企業(yè)超過50家；非植入式技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)投資超過60億美元，全球超過200家企業(yè)獲投。

“讀腦”成為腦機(jī)接口應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)

植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)的工作原理主要依賴四個(gè)環(huán)節(jié)：信號采集、信號處理、控制外設(shè)、神經(jīng)反饋，關(guān)鍵技術(shù)主要涉及硬件、軟件和算法。其中硬件主要包括用于腦電信號采集或神經(jīng)反饋的電極和用于信號處理的芯片，算法主要是用于信號處理的機(jī)器學(xué)習(xí)，軟件則是關(guān)于腦相關(guān)數(shù)據(jù)的處理和管理。

硬件方面，電級材料、芯片運(yùn)算能力是關(guān)鍵。電級研發(fā)的主要難點(diǎn)是如何保證電級的長期安全和有效性，大腦是非常脆弱的器官，電級材料需在盡可能感知并傳輸電信號的同時(shí)不引發(fā)人體強(qiáng)烈排斥反應(yīng)。目前柔性植入式電級是熱門研究方向，通過提升與大腦組織的兼容性，使大腦誤以為是自身組織的一部分。在提高柔軟度的同時(shí)，電極還需要更多的采集通道數(shù)以采集更多腦電信號。

馬斯克的Neuralink采用的就是柔性電極技術(shù)，電極細(xì)如頭發(fā)絲，每根頭發(fā)絲上有16到32個(gè)電極，組成1024個(gè)通道，以此來采集神經(jīng)元放電信號。

我國企業(yè)在柔性電級研發(fā)上也有較大突破。據(jù)悉，上海階梯醫(yī)療HNE超柔性微納電極比Neuralink更細(xì)更加柔軟，其采集性能最高可實(shí)現(xiàn)2048通道同步信號采集，自研的微型采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對多個(gè)腦區(qū)的大范圍神經(jīng)信號的分布式測量，穩(wěn)定測量信號的時(shí)長達(dá)300多天。

在電級通道數(shù)量方面，武漢衷華腦機(jī)利用硅通孔高密度封裝技術(shù)和倒焊工藝等技術(shù)已制造出6.5萬通道的陣列電級。

腦電信號由于在極端條件下進(jìn)行信號處理，隨著通道數(shù)的增加，數(shù)據(jù)的處理和分析難度也會相應(yīng)增大，高通量和實(shí)時(shí)性需求對腦機(jī)接口芯片提出了更高要求。李孟表示，單從芯片制造工藝上看，腦機(jī)接口芯片要求并不高，國內(nèi)技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)，但必須要專門定制，時(shí)間周期和投入成本是客觀存在的。

一位半導(dǎo)體從業(yè)者在接受第一財(cái)經(jīng)采訪時(shí)也表示，腦機(jī)接口芯片并不需要用到先進(jìn)制程工藝，但設(shè)計(jì)難度并不低，除了通道數(shù)量，腦機(jī)接口芯片對精度和速度的要求也很高。

隨著技術(shù)進(jìn)步，采集腦電信號已廣泛應(yīng)用于臨床和實(shí)驗(yàn)中，但如何解讀這些數(shù)據(jù)龐大的“大腦的話語”，并翻譯為機(jī)器能夠讀懂的代碼，是目前應(yīng)用所面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

李孟表示，目前腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要難點(diǎn)在于整套系統(tǒng)的集成，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的短板都會影響整體腦機(jī)接口的性能。隨著電級材料和芯片等硬件技術(shù)快速發(fā)展，可以采集到的腦電信號的數(shù)據(jù)量越來越龐大，如何從海量數(shù)據(jù)中提取出所需顆粒度的信息，其中的腦電解碼算法是腦機(jī)接口系統(tǒng)中急需突破的關(guān)鍵。

劉冰也表示，腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸主要來自于兩個(gè)方面，第一是如何安全地獲取長期穩(wěn)定、信號質(zhì)量高的腦電信號，第二個(gè)就是如何解讀腦電信號，這實(shí)際上是比第一個(gè)難題更難的問題。

首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院黨委副書記、院長，國家神經(jīng)疾病醫(yī)學(xué)中心主任趙國光在此前接受媒體采訪時(shí)表示，所采集到的毫秒級電信號就像“天書”，不研究都不知道代表什么，想要在外接設(shè)備形成機(jī)械力，不管是電動開關(guān)窗簾還是其他，都需要轉(zhuǎn)成機(jī)器能聽懂的編碼。

國盛證券研究報(bào)告指出，腦機(jī)接口作為新興行業(yè)，許多企業(yè)基本都屬于自研自用，最后與硬件/設(shè)備一起輸出，缺少高兼容性的底層平臺提供高性能軟件和算法，還需統(tǒng)一提升數(shù)據(jù)存儲、管理、分析與可視化能力。

A股上市公司腦機(jī)接口布局

誠益通（300430.SZ）：全資子公司龍之杰基于腦科學(xué)展開康復(fù)領(lǐng)域探索，協(xié)同華南理工大學(xué)開展產(chǎn)學(xué)研合作，成立了實(shí)驗(yàn)室，并與海南大學(xué)、澳門圣若瑟大學(xué)展開多中心研究，積累和儲備了與腦科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品模型。

三博腦科（301293.SZ）：2月26日，三博腦科在互動問答平臺表示，腦機(jī)接口技術(shù)在神經(jīng)醫(yī)學(xué)的臨床診療及神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域均有較大應(yīng)用前景，三博腦科作為“醫(yī)教研”一體化學(xué)院型醫(yī)療機(jī)構(gòu)，未來將持續(xù)關(guān)注腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，適時(shí)參與相關(guān)研究和合作。

巖山科技（002195.SZ）：全資子公司上海巖思類腦持續(xù)深化腦科學(xué)與人工智能交叉領(lǐng)域研究，并探索研究成果在腦疾病、腦電大模型、具身智能及元宇宙等各個(gè)方向的廣泛潛在應(yīng)用。

創(chuàng)新醫(yī)療（002173.SZ）：2021年初，該公司與以許科帝教授為代表的科研團(tuán)隊(duì)建立合作關(guān)系，共同創(chuàng)辦了博靈腦機(jī)（杭州）科技有限公司，公司持有博靈腦機(jī)40%的股權(quán)，為該公司第二大股東。 博靈腦機(jī)主要從事腦機(jī)接口核心技術(shù)研發(fā)和相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，目前的首款技術(shù)產(chǎn)品落地在醫(yī)療健康領(lǐng)域。

世紀(jì)華通（002602.SZ）：2020年與浙江大學(xué)共建了浙江大學(xué)傳奇創(chuàng)新研究中心，主要聚焦數(shù)字醫(yī)藥、數(shù)字器官、腦機(jī)融合等新興領(lǐng)域。此外該公司生態(tài)成員企業(yè)在非侵入型腦機(jī)接口結(jié)合數(shù)字療法領(lǐng)域進(jìn)行了持續(xù)研究，聚焦腦神經(jīng)疾病的診斷及治療。

漢威科技（300007.SZ）：3月5日，漢威科技在互動問答平臺表示，子公司能斯達(dá)研發(fā)的新型腦機(jī)接口微納傳感器是其研發(fā)布局的新型高端類腦接口傳感器，集成類皮膚柔性傳感技術(shù)和納米材料技術(shù)，通過非侵入式的方式進(jìn)行類腦交互，目前相關(guān)技術(shù)仍在研究階段。

南京熊貓（600755.SZ）：正在研發(fā)基于腦機(jī)接口技術(shù)的多模態(tài)人機(jī)交互系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)。