脑机接口定义、原理及产品类型脑机接口规模对比
思瀚产业研究院    2023-12-04

一、定义及作用

脑机接口（BCI）狭义上是在大脑与外部环境之间建立一种全新的不依赖于外周神经和肌肉组成的交流与控制通道，通过测量和采集中枢神经系统活动，并将其直接转译为可被外界人工设备识别的信号或指令，从而实现大脑与外部设备的直接交流与控制（输出式BCI）。

广义的BCI还包括输入式BCI和交互式BCI。输入式BCI是由外部设备或机器向大脑输入电、磁、声和光刺激的脑机接口系统，交互式BCI是由反馈神经将输出环节和输入环节连接起来形成闭环的脑机接口系统。

最初研究脑机接口的主要驱动力是期望将其用作运动障碍患者的新型辅助技术。随着脑机接口的快速发展也逐渐激发了其他领域的强烈兴趣。目前，脑机接口的应用范围已远远超出了临床医学领域，拓展应用到情绪识别、虚拟现实和游戏等非医学领域。

据麦肯锡公司的预测，未来10到20年内，全球脑机接口产业的产生经济规模将达到700-2000亿美元。这一数字无疑证明了脑机接口技术的巨大商业价值和社会价值。随着技术的不断进步和应用的拓展，我们有理由相信，脑机接口技术将成为未来社会的重要推动力。

二、脑机接口的原理

大脑和意识的物理本质是电活动。脑神经在遇到刺激或思考时，细胞膜外大量钠离子会涌入细胞内，进而打破原有电位差形成电荷移动，从而出现局部电流，电流传递过程中继续刺激其他神经元，最终形成意识，这些意识或被解读，或形成运动指令输出给身体。大脑不同状态下脑电信号特点各异，使脑电分析成为可能。

大脑功能的分区对应于人体不同器官和肢体功能。大脑不同分区负责感知觉、运动、注意、记忆、认知、语言、思维、情绪等各种功能。脑机接口技术通过采集这些不同脑功能区位置与不同深度的电信号，通过预处理、特征提取和模式识别，从而实现对大脑活动状态或意图的解码，并可以把大脑活动状态、解码结果、与外界通信或控制结果反馈给用户，进而调节其大脑活动以获得更好的性能。

解读脑信号是搭建脑机接口系统的关键环节。脑信号的解读通过事先在脑信号与思维任务之间建立映射模型，实时处理在线记录的脑信号并将其转化为机器指令从而控制外部设备。与此同时，大脑实时接收脑机接口的反馈结果。思瀚发布《2023-2028年中国脑机接口行业市场现状及未来前景趋势预测报告》

第二节 不同产品类型脑机接口分析

一、植入型bci

需要借助一定形式的外科手术来实现，其过程为移除一部分颅骨，在大脑中植入电极或植入物，再将移除的颅骨部分放回原处，其采集电极主要分为刚性电极和柔性电极。刚性电极技术较为成熟，但存在容易减弱信号的劣势，因而柔性电极或成为未来发展方向。

侵入式具有高质量和高信噪比的神经信号，存在细胞水平的空间分辨率和时间分辨率较高的优势；但植入方式创伤大，穿透血脑屏障可能导致感染；并且电极通道数量低。针对上述问题，未来需着力研发蚕丝蛋白牺牲层/可注射网格状神经电极技术和生物器件集成电路制造技术。

基于皮质脑电的脑机交互，即在头部皮层中植入计算机设备（芯片），实现脑机交互。同时，记录信号较 EEG记录振幅更大，频谱更宽，空间分辨率更高，具有非常精确的功能定位，与特定的运动、言语、认知高度相关并与单神经元放电频率及血氧水平相关信号有关，其次因为不用穿透皮层，可以把良好的信号保真和长时间稳定性结合起来。侵入式脑机脑机接口技术的研究在动物实验中取得了多进展，但在人体中实现应用难度大，因涉及复杂技术与伦理问题，目前已开展研究有限，目前顺利开展的实验主要位于美国等传统科技强国。

二、非植入型bci

无需动手术，直接从大脑外部采集大脑信号。常用的非侵入式信号有头皮脑电（EEG）、功能近红外光谱（fNIRS）、功能性磁共振成像（fMRI）、脑磁（MEG）等。非侵入式的安全性高、成本低、可接受度高，是目前主流的脑机形式；但同时由于颅骨导致的信号衰减作用和电场分散模糊效应，导致信号分辨率低，很难确定发出信号脑区或相关放电的单个神经元，导电膏失效时信号也无法传输。

非侵入式脑机接口主要分为湿电极、干电极和半干电极三种。传统脑电极一般采用湿电极，但存在佩戴、清理过程复杂的缺陷。干电极在克服此缺陷的同时，降低了信号的质量和稳定性。半干电极则结合了两者的特点，达到简便程度和信号质量的均衡，当下自润湿、新型凝胶等半干电极是研究热点。

非侵入式信号是利用无损的方式在头皮表面控制信号，目前研究最多的是基于表面脑电图的信号来源的脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）。EEG 是认知神经科学中最常用的电生理技术，表面 EEG 信号是在头皮表面记录到的脑电活动，它是大量神经元放电过程中突触后电位的总和，依据提取信号产生的方式不同分为诱发 EEG 和自发EEG 两种。非侵入式因其操作相对简便而受到更多研发团队的青睐，主要有脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）、近红外光谱（NIRS）、功能性磁共振成像（FMRI）等研究方式，一些商用脑机交互产品已经被开发和出现在市场上。

第三节 全球市场产品类型脑机接口规模对比

国际市场研究机构IMARC Groupe的数据显示，2019-2022年全球脑机接口市场规模从12亿美元增长至17.4亿美元，期内年均复合增长率达13.19%。全球脑机接口产业仍处于初期发展阶段，未来市场增长空间巨大，中商产业研究院分析师预测，2023年全球市场规模将达到19.7亿美元。该机构预测，到2028年，全球脑机接口市场规模将达到40亿美元，约合280亿元人民币。

脑机接口（BCI）可分为植入式脑机接口、非植入式脑机接口两大类，其中植入式脑机接口具有准确率高、时间分辨率高、信息传输率高等优势，但同时也存在手术风险高、感染率高、植入创伤大等问题。近年来，随着技术进步，全球植入式脑机接口研究和应用取得了巨大进展，行业发展持续向好。

植入式脑机接口是通过手术等方式将信号采集装置（电极）直接植入患者大脑皮层。目前全球脑机接口技术仍处于发展早期，相关布局企业达到300多家，主要分布在美国、中国等地区。由于植入式脑机接口技术壁垒高，目前全球布局非植入式脑机接口的企业占比较高。

脑机接口在军事国防、生物医疗、消费电子、科学研究、娱乐等领域应用前景广阔，2023年，全球脑机接口市场规模将突破50亿美元。与海外市场相比，我国脑机接口研究和应用起步较晚，但近年来，在政策引导、科技赋能等因素驱动下，我国脑机接口技术水平得到提升，部分技术达到国际领先水平。

根据思瀚发布的《2023-2028年中国脑机接口行业市场现状及未来前景趋势预测报告》显示，植入式脑机接口相关企业有Neuralink、Synchron、BrainGate、Kemel、衷华脑机、微灵医疗等，其中Neuralink在植入式脑机接口领域处于领先水平。由于技术壁垒高，植入式脑机接口商业化进程缓慢，目前多停留在实验室阶段。

植入式脑机接口相关研发机构或院校有加州大学、斯坦福大学神经义肢移动实验室、浙江大学、中国科学院神经科学研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所等。近年来，随着研究不断深入，我国植入式脑机接口研究取得一定进展。

具体来看，浙江大学脑机接口研究所郑筱祥教授团队于2020年完成国内首例植入式BCI临床转化研究；微灵科研团队搭建了基于非人灵长类的植入式脑机接口临床前研究范式和功能评估系统，并成功完成多只脑机接口猕猴的植入手术；2023年，衷华脑机自主研发的“植入式脑机接口系统”通过科技成果评价，技术达到国际领先水平。

思瀚行业分析人士表示，全球脑机接口市场景气度较高，截止至目前，全球脑机接口融资金额已突破20亿元。非植入式是脑机接口主流赛道，但植入式脑机接口准确率高、信息传输率高，随着相关技术突破，植入式脑机接口研究也取得了巨大突破，同时在资本、技术助力下，植入式脑机接口商业化进程有望加快。