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脑机接口:行业风口渐至,最大挑战与机会在于“读脑”|未来产业调研笔记

发布日期:2024-06-05 02:53    点击次数:141

大脑是人体最神秘且复杂的器官,即便在科技高度发达的今天,人类对于大脑的了解和认识还非常有限。2005年美国率先开启“脑计划”,2016年我国《“十三五”规划纲要》将“脑科学与类脑科学研究”列为“国家重大科技创新和工程项目”,标志“中国脑计划”全面展开。

人类的大脑拥有大约860亿个神经元,这些神经元之间通过放电产生的电传导互相联系,并以此来处理和传递信号,数量之繁密,胜过整个银河系的星辰。因此,大脑之谜与宇宙之谜被称为“两大科学难题”。

脑机接口作为大脑与外界交互的信息渠道,不仅可以采集神经电活动信号,还可以调控神经网络活动,是脑科学研究的底层核心工具。随着相关技术的快速发展,近期多项关键技术得到突破,脑机接口行业迎来快速发展期,也成为一、二级市场关注的焦点。

本文将讨论以下几个市场较为关注的问题:

1、信号采集侵入式or非侵入式?

2、脑机接口的关键技术难点与机遇。

3、脑机接口产业链相关上市公司。

侵入式or非侵入式?

脑机接口(Brain Computer Interface, BCI)是大脑与外部设备之间信息通讯的桥梁,由于大脑是最重要且最脆弱的器官,采集最高精度的脑电信号同时最小限度地伤害大脑是脑机接口研究的首要问题。

根据用于信号采集的电极放置位置,脑机接口可以分为侵入式、半侵入式和非侵入式。随着电极植入位置贴近生物神经组织,所获脑电信号质量越来越好、频率越来越高。

非侵入式脑机接口:是指无需通过侵入大脑,通过附着在头皮上的穿戴设备来对大脑信息进行记录和解读。这种技术安全性高,但信号的信噪比差且时空分辨率较低,易受到噪声的干扰。

半侵入式脑机接口:是指将脑机接口侵入到颅腔内,但是在大脑皮层之外。这种技术可以获得较高的信号质量和分辨率,同时降低免疫反应和愈伤组织的风险。

侵入式脑机接口:是指通过手术等方式直接将电极植入大脑神经组织中,获得高信噪比、高时空分辨率的神经信号,但存在较高的安全风险,可能引发并发症。

马斯克旗下脑机接口公司Neuralink于1月28日完成的首例人类大脑设备侵入手术采用的是侵入式脑机接口,我国清华大学与宣武医院团队年初完成的脑机接口临床试验采用的是半侵入式脑机接口。

对于脑电信号采集不同技术路径的优劣,中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员、岩山科技岩思类脑人工智能研究院首席科学家李孟接受第一财经采访时表示,不同技术路径有不同应用场景。非侵入式优点是用户接受度高,但容易受到运动干扰,例如摇头、眨眼都会使信号变得非常混乱,且由于采集的信号质量差,目前只能处理较低自由度下的脑机接口外设操作,性能天花板较低;半侵入式容易造成大脑颅骨损伤,其采集的信号质量比非侵入式略强,但由于脑电信号解码技术尚未完善,目前从应用角度看与非侵入式能够实现的性能相差无几;侵入式由于在大脑神经组织中直接采集脑电信号,信号质量高且不受运动噪声干扰,无论是从应用还是科研角度,其性能天花板都比较高,且应用场景的想象空间巨大,但需要解决设备“长期在体”和“低创伤”等问题。

李孟称,非侵入式脑机接口在特定的应用场景下有其优势,例如睡眠监测和干预场景,但目前面临的核心问题是非侵入式脑电信号的低信噪比限制了其无法完成较精细应用操作。从科研角度看仍需要通过侵入式脑机接口获取更高质量和更稳定的脑电数据用于脑科学和脑疾病的基础研究。

中国科学院自动化研究所副研究员刘冰在接受第一财经采访时也表示,从脑学科研究的角度看,难点在于如何获取有意义的脑电信号,而侵入式脑机接口采集到的信号是最精准且最有意义的。

综合看,侵入式脑机接口优势在于能够采集到高时空分辨率脑电信号,在脑科学研究领域有较大需求,而非侵入式脑机接口由于其用户接受度高、风险低更容易商业化。根据信通院研究数据,全球脑接口企业中,目前20%从事侵入式技术研发,80%从事非侵入式技术研发,且侵入式技术研发的比例正在逐年上升。

从融资规模看,侵入式技术单家企业融资金额更高。信通院数据显示,2013年到2023年第三季度,侵入式领域风险投资超过40亿美元,全球获投企业超过50家;非侵入式技术全球风险投资超过60亿美元,但获投企业超过200家。

“读脑”成为脑机接口应用的技术难点

侵入式脑机接口系统的工作原理主要依赖四个环节:信号采集、信号处理、控制外设、神经反馈,关键技术主要涉及硬件、软件和算法。其中硬件主要包括用于脑电信号采集或神经反馈的电极和用于信号处理的芯片,算法主要是用于解析大脑内在状态的神经解码算法,软件则是关于脑相关数据的处理和管理。

硬件方面,电极材料、芯片运算能力是关键。电极研发的主要难点是如何保证电极的长期安全和有效性,大脑是非常脆弱的器官,电极材料需在尽可能感知并传输电信号的同时不引发人体强烈排斥反应。目前柔性侵入式电极是热门研究方向,通过提升与大脑组织的兼容性,使大脑误以为是自身组织的一部分。在提高柔软度的同时,电极还需要更多的采集通道数以采集更多脑电信号。

马斯克的Neuralink采用的就是柔性电极技术,电极细如头发丝,每根电极上有16到32个电极触点,组成1024个通道,以此来采集神经元放电信号。

我国企业在柔性电极研发上也有较大突破。据悉,脑虎科技自主研发的蚕丝蛋白深部柔性电极,用固化的蚕丝蛋白液包裹在柔性电极表面,在超柔性电极的基础上,利用蚕丝蛋白天然抗菌、机械性能佳、可控降解等优势,实现长期在体稳定记录脑电信号,且对大脑的损伤小、排异反应小、安全性更高。上海阶梯医疗研发的HNE超柔性微纳电极比Neuralink更细更加柔软,其采集性能最高可实现2048通道同步信号采集,稳定测量信号的时长达300多天。

在电极通道数量方面,武汉衷华脑机利用硅通孔高密度封装技术和倒焊工艺等技术已制造出6.5万通道的阵列电极。

脑电信号由于在极端条件下进行信号处理,随着通道数的增加,数据的处理和分析难度呈指数级增大,高通量和实时性需求对脑机接口芯片提出了更高要求。李孟表示,从芯片制造工艺上看,国内技术完全可以实现脑机接口芯片的自主可控,但该类专用芯片须特殊定制,设计周期和投入成本是客观存在的。

一位半导体从业者在接受第一财经采访时也表示,脑机接口芯片并不需要用到先进制程工艺,但设计难度并不低,除了通道数量,脑机接口芯片对精度和速度的要求也很高。

随着技术进步,采集脑电信号已广泛应用于临床和实验中,但如何解读这些数据庞大的“大脑的密码”,并翻译为机器能够读懂的数据流,是目前脑机接口应用所面临的一个巨大挑战。

李孟表示,目前脑机接口产业发展面临的主要难点在于整套系统中各个组件的协同进步和有效集成,其中任何一个环节的短板都会影响整体脑机接口的性能。随着电极材料和芯片等硬件技术快速发展,可以采集到的脑电信号的数据量越来越庞大,如何从海量脑电数据中提取出高通量、高自由度、细颗粒度的信息成为急需解决的痛点、难点问题,脑电解码算法已成为脑机接口系统突破现有性能瓶颈的关键。

刘冰也表示,脑机接口产业发展瓶颈主要来自于两个方面,第一是如何安全地获取长期稳定、信号质量高的脑电信号,第二个就是如何解读脑电信号,这实际上是比第一个难题更难的问题。

首都医科大学宣武医院党委副书记、院长,国家神经疾病医学中心主任赵国光在此前接受媒体采访时表示,所采集到的毫秒级电信号就像“天书”,不研究都不知道代表什么,想要在外接设备形成机械力,不管是电动开关窗帘还是其他,都需要转成机器能听懂的编码。

国盛证券研究报告指出,脑机接口作为新兴行业,许多企业基本都属于自研自用,最后与硬件/设备一起输出,缺少高兼容性的底层平台提供高性能软件和算法,还需统一提升数据存储、管理、分析与可视化能力。

A股上市公司脑机接口布局

诚益通(300430.SZ):全资子公司龙之杰基于脑科学展开康复领域探索,协同华南理工大学开展产学研合作,成立了实验室,并与海南大学、澳门圣若瑟大学展开多中心研究,积累和储备了与脑科学领域相关的技术和产品模型。

三博脑科(301293.SZ):2月26日,三博脑科在互动问答平台表示,脑机接口技术在神经医学的临床诊疗及神经康复领域均有较大应用前景,三博脑科作为“医教研”一体化学院型医疗机构,未来将持续关注脑机接口技术在医疗领域的应用和发展,适时参与相关研究和合作。

岩山科技(002195.SZ):全资子公司上海岩思类脑人工智能研究院持续深化脑科学与人工智能交叉领域研究,致力于开展大脑内部状态解析与调控、深度生成式大脑信号解码算法、非器质性重大脑疾病的诊断和干预等前沿领域的研究,并探索研究成果在脑疾病、脑电大模型、具身智能及元宇宙等各个方向的广泛潜在应用。

创新医疗(002173.SZ):2021年初,该公司与以许科帝教授为代表的科研团队建立合作关系,共同创办了博灵脑机(杭州)科技有限公司,公司持有博灵脑机40%的股权,为该公司第二大股东。 博灵脑机主要从事脑机接口核心技术研发和相关产品的设计生产,目前的首款技术产品落地在医疗健康领域。

世纪华通(002602.SZ):2020年与浙江大学共建了浙江大学传奇创新研究中心,主要聚焦数字医药、数字器官、脑机融合等新兴领域。此外该公司生态成员企业在非侵入型脑机接口结合数字疗法领域进行了持续研究,聚焦脑神经疾病的诊断及治疗。

汉威科技(300007.SZ):3月5日,汉威科技在互动问答平台表示,子公司能斯达研发的新型脑机接口微纳传感器是其研发布局的新型高端类脑接口传感器,集成类皮肤柔性传感技术和纳米材料技术,通过非侵入式的方式进行类脑交互,目前相关技术仍在研究阶段。

南京熊猫(600755.SZ):正在研发基于脑机接口技术的多模态人机交互系统集成关键技术。

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王媛丽

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