脑机接口行业图谱.pdf
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1、研究报告(2023 年第 8 期 总第 129 期)2023 年 06 月 14 日脑机接口行业图谱脑机接口行业图谱1 1 【摘要】【摘要】行业图谱研究是本团队科技成果转化研究的一项子课题,目标定位于清晰理解前沿科技成果的技术核心、科创企业的技术竞争力及科研工作者的研究进度,从而助力科技成果转化效率的提升。行业图谱研究将以系列形式展开,选取国家战略重点科技领域的商业应用场景逐一进行,时效性较强。本报告为行业图谱的计算机科学系列之脑机接口领域。美国、欧盟、日、韩、澳大利亚等多国已加速布局脑机接口,抢占全球脑科学竞争战略高地。中国对该技术的重视程度不亚于发达国家,近两年已经将其上升为国家战略。脑机
2、接口是指在人或动物大脑与外部设备之1 感谢资本市场与公司金融研究中心的实习生许喜远、张与豪同学对本报告的助研工作。许喜远同学是清华大学医学院 2022 级博士。张与豪同学是清华大学医学院 2023 级博士。间创建的直接连接实现脑与设备的信息交换,其工作流程包括脑电信号的采集、处理、输出和执行,最终再将信号反馈给大脑。其中,脑电信号的采集和处理是核心。脑电信号采集技术包括脑电信号的放大和模拟信号到数字信号的转换,软件主要由嵌入式程序、USB 程序和PC 端程序构成,使用到的硬件设施有脑机接口电极、脑机接口芯片等。脑电信号处理技术,包括脑电的预处理,神经元信号提取算法,深度学习,数据管理,机器学习
3、算法,软件工程等各环节,都依赖于 GPU、CPU 等高性能硬件设备提供的算力作为基础,并被集成于脑机接口芯片中。脑机接口的电极、芯片是核心技术竞争的硬件设备。目前国内缺乏商业化的侵入式阵列电极,而最先进的电极都是在国外生产或与外国有关。国内的技术和产品无法与美国的重量级成果如 Neuropixel等相媲美。芯片的生产上,高质量的原材料和制造设备均依赖于国外供应商,例如硅晶圆主要由美国的 Global Foundries 和台湾的台积电等公司生产,金属线材主要由美国的 TE Connectivity 和日本的Furukawa Electric 等公司生产。目前国际芯片企业 Neuralink 独
4、占领先地位,我国聚德科技正在此领域紧追。脑机接口的数据处理技术也是关键的核心竞争力。具体指将采集到的脑信号进行分析和解码的过程。国际上,美国 Google 的DeepMind 实验室在机器学习算法和人工智能方面有着突出的研究成果,能够对脑信号进行高效的分类和识别,实现对脑机接口的精准控制。美国 BrainGate 团队也在脑机接口数据处理方面取得了重要突破,他们利用机器学习算法实现了运动意图的准确识别和肢体运动控制。国 内已经有部分企业可以实现非侵入式脑机接口的脑电信号分类和识别。在侵入式脑机接口的数据处理技术方面,美国的霍华德休斯医学研究所开发的尖峰排序 Kilosort 算法可以从侵入式脑
5、机接口的脑电信号中提取单个神经元的信号,然而国内没有研究机构或企业开发出可以与之匹敌的算法。综合来看,脑机接口是一项跨学科的合作项目,任何一个子领域的差距都使得项目整体无法前行。相比国外,国内的基础科学较薄弱,例如芯片技术研发、电极材料学、传感器的研究、脑神经科学基础研究、光遗传学、心理学、临床外科学的探索等等都无法达到国外最先进水平。所涉及到的硬件设施的底层技术和原材料几乎来自于欧美。通常从脑电信号采集的角度将脑机接口技术分为侵入式和非侵入式两类。侵入式脑机接口目前适用于医疗、患者治疗、神经科学研究等场景,未来有望适用于消费级场景,其技术壁垒较高,需要进行开颅手术,将电极植入到大脑皮层及其内
6、部采集脑电信号,因此可获得质量较高的神经信号;其缺点是容易引发人体的排异反应,产生神经瘢痕包裹电极,进而导致神经信号质量降低。非侵入式脑机接口目前适用于消费娱乐、残疾人士交互等场景,脑机接口不进入大脑,只需要用电极连接头皮来获取信号,对人体伤害较小,技术难度较低,如使用脑电帽采集脑电信号;但由于颅骨对神经信号的衰减作用和对神经元发出的电场活动的分散和模糊效应,使得信号分辨率不高。侵入式和非侵入式技术在场景应用和技术实现上各有优劣势,因此脑机接口企业基于企业自身的技术储备和战略定位,选择不同类别的技术解决方案。近年来新成立的脑机接口公司创始人基本都是由各自领域的专家和资深的从业者组成,国内产业界
7、与学术研究机构以密切合作模式促进脑机接口技术发展。由于脑机接口技术壁垒相对较高,预计未来脑机接口产业的发展仍由学术研究机构主导,产业资本与学术研究机构合作将更加紧密,促进技术的产业孵化。目目 录录 一、全球技术发展政策对比分析.1(一)美国脑计划中的脑机接口研究规划.2(二)欧盟脑计划中的脑机接口研究规划.4(三)日本脑计划中的脑机接口研究规划.4(四)韩国脑计划中的脑机接口研究规划.5(五)澳大利亚脑计划中的脑机接口研究规划.6(六)中国脑计划中的脑机接口研究规划.6 二、脑机接口技术概述.8(一)技术背景.8(二)发展历史简述.10(三)脑机接口技术的应用方向.14 三、脑机接口技术流程与
8、关键核心技术.17(一)脑科学研究现状.19(二)脑机接口的分类.23(三)脑机接口电极的制备.28(四)脑机接口信号处理芯片.32(五)产业链现状.34(六)脑机接口关键核心竞争点.36(七)脑机接口面临的挑战.39 四、基于人工智能的脑机接口技术在医疗领域的应用场景分析.42(一)肢体运动障碍诊疗中的应用.42(二)意识与认知障碍诊疗中的应用.44(三)精神疾病诊疗中的应用.44(四)感觉缺陷诊疗中的应用.45(五)癫痫和神经发育障碍诊疗中的应用.47 五、脑机接口技术的产业现状.48(一)科研院所为主,侧重非侵入式脑机接口研究.53(二)市场潜力大,已成为新投资热点,未来发展可期.53(
9、三)产品认证和监管尚处于初级阶段,临床应用有限.61 六、专业术语解析.62 参考文献.66 图表目录图表目录 图 1-1 脑机接口技术布局国家.2 图 1-2 中国脑计划框架图.7 图 2-1 传统或狭义的 BCI 系统示意图.9 图 3-1 脑机接口技术体系.17 图 3-2 脑机接口技术流程及产业链图.18 图 3-3 神经元示意图17.19 图 3-4 脑功能分区图18.20 图 3-5 不同深度的脑机接口10.22 图 3-6 不同脑机接口的分辨率11.23 图 3-7 脑机接口分类示意图.24 图 3-8 侵入式微纳电极 Neuropixel 记录神经元信号12.25 图 3-9
10、侵入式脑机接口 Neuropixel 微纳电极13.29 图 3-10 脑机接口技术研究与应用中存在的问题.41 图 4-1 基于人工智能的脑机接口技术在医疗领域的应用场景分析.42 表 3-1 生产脑机接口植入设备的公司及产品简介.27 表 3-2 欧美生产脑机接口电极的公司及产品简介.31 表 3-3 生产脑电信号处理芯片的公司及产品简介.32 表 3-4 脑机接口产业链.34 表 5-1 脑机接口技术国内外主要研究机构及代表性成果.49 表 5-2 脑机接口主要芯片厂商.55 表 5-3 脑机接口技术在医疗健康领域的主要应用产品.55 表 5-4 国内外重点 AI 脑机接口企业的概况以及
11、相应的融资信息.59 1 脑机接口技术是将人脑与计算机、外部设备等智能系统相连的一种技术,它可以将人脑中的信息转化为计算机可以理解的信号,实现对机器的控制和交互。BCI 技术的出现,可以帮助那些因为身体残疾无法使用手脚来控制机器的人们,实现用大脑思维来操作计算机等外部设备。此外,BCI 技术还可以被应用于认知神经科学、运动控制、智能增强等多个领域,具有广泛的应用前景。本报告基于最新的科学文献及行业报道进行资料梳理和汇总。对比各国脑机接口发展政策,从技术背景、发展历史和应用方向三个方面展开宏观视角分析;提炼当前脑机接口关键核心技术、产业链结构、全球领先企业的研发现状及融资情况,形成行业画像。一、
12、一、全球技术发展全球技术发展政策政策对比对比分析分析 历经 50多年的研究,当前脑机接口正处于第三个发展阶段-技术爆发期,美国、欧盟、日、韩、澳大利亚等多国政府、科研机构和企业都已加速布局脑机接口,抢占全球脑科学竞争战略高地(图 1-1)。美国是最早提出脑科学计划及其行业发展规划的国家,也是政府资金投入最多,技术发展水平最高的国家。中国相对于美国等西方国家对脑机接口技术(Brain-Computer Interface,BCI)的研究起步较晚,但重视程度不亚于发达国家,近两年已经将此技术上升为国家战略。2 图图 1-1 脑机接口技术布局国家脑机接口技术布局国家 (一)美国脑计划中的脑机接口研究
13、规划(一)美国脑计划中的脑机接口研究规划 美国政府自 1989 年起开始推进脑科学计划,并将 20 世纪最后 10 年定名为“脑的 10 年”。2013 年 4 月 2 日,奥巴马政府宣布了“脑计划”(BRAIN Initiative),该计划旨在通过推进神经技术创新,探索人类大脑工作机制、描绘脑活动全图、促进神经科学研究,并开发针对目前无法治愈的大脑疾病的新疗法。美国政府最初拨出逾 1 亿美元启动资金,并规划未来 12 年总共投入 45 亿美元。随后,美国国立卫生研究院(National Institutes of Health,NIH)、美国国防高级研究计划局(Defense Advanc
14、ed Research Projects Agency,DARPA)和美国国家科学基金会(National Science Foundation,NSF)三大联邦机构相继提出各自的研究重点。2014 年 2 月,美国政府进 3 一步推进 BRAIN 计划,并将该计划 2015 财年预算提高至 2 亿美元。同年 6 月 5 日,NIH 的 BRAIN 小组发布了BRAIN 计划 2025:科学愿景报告,详细规划了 NIH 脑科学计划的研究内容和阶段性目标。在 2014年 6月 20日,加利福尼亚州提出了一项名为 Cal-BRAIN计划的脑科学计划,旨在促进产业参与。此后,其他州也开始探讨类似的计
15、划。2018 年 11 月 2 日,美国国立卫生研究院(NIH)宣布加大对“脑计划”研究项目的投资,投入 2.2 亿美元用于 200 个新项目,其中包括各种脑部疾病的检测和治疗、无创脑机接口和无创脑刺激装置等。2019年 10月 21日,美国 BRAIN 2.0工作组发布了大脑计划与神经伦理学:促进和增强社会中神经科学的进步报告,对其五年前提出的BRAIN 计划 2025:科学愿景实施情况和未来发展进行了梳理和展望。美国脑计划重点研究包括建立大脑结构图谱、研发大规模神经网络电活动记录和调控工具、理解神经元活动与个体行为的关联、解析人脑成像基本机制、发明人脑数据采集的新方法以及与脑机接口技术紧密
16、相关的研究内容。2016 年,NIH 宣布第三轮支持“通过推进创新神经元技术开展大脑研究”计划的研究资助项目,其中涉及基于微小电传感器的神经末梢系统,该系统无线记录大脑活动以改善中风患者的康复,也涉及脑机接口技术。美国军方尤为重视脑机接口的创新研究及其在军事和医疗方面的应用。DARPA 启动了几十个神经相关项目,如“可靠神经接口技 4 术(RE-NET)”、“革命性假肢”、“基于系统的神经技术新兴疗法(SUBNETS)”、“手部本体感受和触感界面(HAPTIX)”、“下一代非手术神经技术(N3)”和“智能神经接口(INI)”,探索神经控制和恢复、脑机接口与外骨骼机器人、无人机和无人车等设备的联
17、用等,以研发治疗和康复新途径、增强和开拓脑功能和人体效能、拓展训练方式和作战环境。(二)欧盟脑计划中的脑机接口研究规划(二)欧盟脑计划中的脑机接口研究规划 人类脑计划(Human Brain Project,HBP)于 2013 年 10 月 1 日启动,是欧盟委员会未来和新兴技术的旗舰项目,有 26 个国家的 135 个合作机构参与1。这是一个为期 10 年的基于超级计算机的大型科研项目,主要研究领域大致划分为三大类:未来神经科学、未来医学、未来计算。涵盖 13 个子项目,其中包括老鼠大脑战略性数据、人脑战略性数据、认知行为架构、理论型神经科学、神经信息学、大脑模拟仿真、高性能计算平台、医学
18、信息学、神经形态计算平台、神经机器人平台、模拟应用、社会伦理研究和人脑计划项目管理。欧盟脑计划中未明确提及脑机接口,但脑计划项目离不开脑机接口技术和设备的支持,同时社会伦理研究也对脑机接口的未来应用提供伦理依据。欧盟中奥地利和德国等国家科研人员在脑机接口方面做了许多工作。可惜的是,由于受到学术界的广泛质疑,以及 HBP 后来的发展方向偏离了最初设定的目标,该项目目前已宣告失败,欧盟决定停止对人类脑计划的下一个十年的资助。(三)日本脑计划中的脑机接口研究规划(三)日本脑计划中的脑机接口研究规划 5 日本脑/思维计划(Brain/MINDS)是一个于 2014 年启动的项目,旨在通过集成神经技术,
19、绘制用于疾病研究的脑图。该项目的研究集中在三个领域:普通狨猴大脑的研究、脑图绘制技术的开发以及人类脑图谱的制定。相关研究涉及脑机接口技术,该领域已经有不少日本脑机接口研究的新闻和文献报道。该项目计划在未来 10 年内获得来自日本教育部、文化部以及日本医学研究与发展委员会的共计400亿日元资助,用于推进其研究计划。该项目的核心目标是将神经科学、医学和工程技术相结合,创造出更加精确和详尽的脑图,为研究神经系统疾病的发病机理和治疗提供新的视角和思路。(四)韩国脑计划中的脑机接口研究规划(四)韩国脑计划中的脑机接口研究规划 韩国脑计划(Korean Brain Initiative,KBI)旨在促进脑
20、科学和产业的互动。该计划由韩国脑科学研究所、韩国科学技术研究院脑科学研究所和神经工具开发小组三个研究机构牵头2。该计划致力于基础研究,旨在开发适用于基础和临床研究的新型神经技术,并对神经退行性疾病进行临床研究,如阿尔兹海默症(Alzheimers disease,AD)和帕金森病(PD)。该计划的研发项目包括建立多尺度的脑图谱、开发绘制脑图谱的创新型神经技术、加强与人工智能相关的研发和开发针对神经系统疾病的个性化药物。韩国脑计划在构建大脑地图的基础上,进一步对老年痴呆、帕金森病、忧郁症、成瘾症、孤独症、大脑发育障碍等疾病加大研究投入。此外,已有文献报道韩国科研人员在基于脑电图/功能近红外光谱等
21、的脑机接口方面取得的成果。6(五)澳大利亚脑计划中的脑机接口研究规划(五)澳大利亚脑计划中的脑机接口研究规划 澳大利亚脑联盟(Australian Brain Alliance,ABA)提出澳大利亚脑计划(Australian Brain Initiative,ABI)3。澳大利亚脑计划的总体目标是破解大脑的密码,即深入理解神经回路的发展、信息编码与检索、复杂行为的基础,以及适应内外部变化的机制。为了实现这一目标,澳大利亚脑计划将重点研究优化和恢复大脑功能、开发神经接口记录和控制大脑活动以恢复功能(即脑机接口)、探究整个生命周期学习的神经基础,并提供有关脑启发式计算的新见解。澳大利亚脑计划的潜
22、在影响包括创造先进的神经技术产业、研发治疗脑部疾病的疗法以及推动跨学科合作,促进对大脑的深入了解。(六)中国脑计划中的脑机接口研究规划(六)中国脑计划中的脑机接口研究规划 1.1.国家宏观国家宏观政策引导科技战略研究规划政策引导科技战略研究规划 我国的脑科学和类脑研究已经被提升为国家战略(如图 1-2 所示),中国脑计划自 2016 年启动,包括探索大脑秘密和攻克大脑疾病的脑科学研究以及建立并发展人工智能技术的类脑研究两个方向。在 2017 年“十三五”国家基础研究专项规划中,脑与认知、脑机智能和脑的健康被明确提出作为核心问题。目前的布局可用“一体两翼”来概括,其中以研究脑认知的神经原理为“主
23、体”,其中以绘制脑功能联结图谱为重点,而研发脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”4。7 图图 1-2 中国脑计划框架图中国脑计划框架图 作为“一体两翼”布局的“一翼”,脑机智能的关键技术研发和产业发展备受重视。脑机接口技术是脑与机智能的桥梁和融合的核心技术,也可能是脑重大疾病诊治的新手段,例如深部脑刺激,同时也是研究大脑的一种工具。在十四五规划和 2035 年远景目标纲要中,人工智能和脑科学为国家战略科技力量,其中类脑计算和脑机融合技术研发是重要领域之一,而脑机接口技术是脑机智能融合技术的关键之一。2.2.地方规划地方规划出台推动产业落地发展出台推动产业落地发展 近年来,各地方政府出
24、台相关政策大力支持脑科学与类脑研究的发展,对脑科学和类脑科学的发展给予了高度关注。上海市在此方面领先全国,提出了以计算神经科学为桥梁开展脑与类脑交叉研 8 究的地方脑计划,并在 2015 年开始实施。北京市也加大了政策支持,2018年发布了通知,其中第一大领域是认知与类脑技术。政策出台后,各地迅速落实落地,成立实体机构开启科研工作。北京和上海带头成立了北京脑科学与类脑研究中心、上海脑科学与类脑研究中心。2018 年 12 月,上海市启动了“脑与类脑智能基础转化应用研究”市级重大专项,其中还包括“全脑神经联结图谱与克隆猴模型计划”等相关专项。此外,2015 年 5 月上海市发布的全球有影响力科技
25、创新中心建设二十二条将脑科学与人工智能列为重大基础工程之首。在 2019 年,北京市经济和信息化局发布了北京市机器人产业创新发展行动方案(20192022年),其中提到了面向养老、健康服务领域的关键技术,如机器学习、触觉反馈、增强现实和脑机接口等。这些政策和专项的出台都推动了我国脑科学和类脑科学的研究和发展。2021 年,杭州西湖区率先布局脑机智能产业,全力打造脑机智能产业链。该项目旨在探索以国有企业为主体、产学研深度融合的新路径,助力西湖区打造全国性的校地合作示范区,真正实现产学研深度融合,帮助优秀企业和科研团队在区内落地发展。这表明我国各地方政府在推动脑机智能产业的发展方面,已经迈出了实质
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