【新技术】一文读懂脑机接口：元宇宙的入口近了？

当马斯克宣布脑机接口梦迈入新阶段，全球资本市场又为之一振。

A股脑机接口概念股在本周连续三个交易日“狂飙”，多家公司披露股价异动公告，但公告依旧没能阻挡住市场对脑机接口的热烈追捧。

6月1日，脑机接口概念股继续爆发，创新医疗、新智认知均5连板，冠昊生物、世纪华通、三博脑科等跟涨。

简单来说，脑机接口（BCI）是一种直接在大脑与计算机之间建立通信的技术。它通过检测大脑的信号（通常是电信号），并将这些信号转化为电脑可以理解的指令，从而实现人脑对电脑或附着在其身体上机器/电子设备的直接控制。

而马斯克宣布其公司Neuralink已获得美国FDA（食品药品监督管理局）批准，将开展首次人体临床试时，业内认为是脑机接口迈向商业化应用的重要里程碑。

果壳网CEO姬十三激动评论道：这是脑机接口领域的一大步！碳基+硅基融合有望了，或许，5-10年内就能实现。

那么脑机接口未来的前景究竟如何？可以应用于哪些领域？现在又面临着哪些挑战呢？

什么是脑机接口

国信证券分析师张衡和夏妍曾在2022年的研报中详细拆解过脑机接口的概念，研报指出，人的神经系统可以大致分为中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）和外周神经系统（Peripheral Nervous System, PNS)。

通常情况下，脑中枢神经系统（CNS）的活动通过外周神经系统（PNS）连接身体的感觉、运动、语言等信息收发器官实现身体内部与外部环境的信息交互。

脑机接口（Brain-Computer Interface，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（PNS）和肌肉的交流与控制通道，通过测量和采集中枢神经系统（CNS）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）。

除了狭义上的输出式BCI，广义的BCI还包括输入式BCI和交互式BCI：

其中，输入式BCI主要由外部设备或机器绕过外周神经（PNS）或肌肉系统直接向大脑输入电、磁、声和光的刺激等或神经反馈，以调控中枢神经活动。

交互式BCI则是通过输出式BCI和输入式BCI由神经反馈构成交互式的闭环系统。

分析师指出，最初研究脑机接口的主要驱动力主要是将其运用于医学领域，期望将其用作运动障碍患者的新型辅助技术。

而今，随着人工智能的快速发展，脑机接口开始被用于探索，新型的人机交互方式（元宇宙）：例如直接通过思维来操作电脑或虚拟现实设备；打造“钢铁侠”一样的超级人类。

脑机接口的主要技术

分析师指出，脑机接口的技术体系主要分为硬件层和软件层。其中，硬件层包括脑电采集设备和外控设备：

脑电采集设备包括核心部件和器件、电极、芯片、电源和材料；

外控外联设备包括机械臂、仿生手、无人机等。

而软件层包括生物信号分析、核心算法、通信计算和安全隐私：

脑机理认知方面一定程度上也属于软件仿真和实现的重要方面。随着对脑机理的不断认知，采集获取的数据量越来越庞大，未来将陆续面临数据压缩算法和存储技术，以及高通量高速数据无线传输等方面的挑战。

此外，基于脑电的信息认证及信息安全、隐私保护也将是软件层重点研究和解决的问题。

脑机接口与医疗领域

先从脑机接口在医疗领域的应用来看，国信证券指出，主要应用场景包括：意识与认知障碍诊疗、精神疾病诊疗、感觉缺陷诊疗、癫痫和神经发育障碍诊疗。

在5月29日举办的“脑机接口创新发展论坛”中，中国科学院院士、世界神经外科联盟（WFNS）执委赵继宗介绍称，目前无论在国内还是国际上，脑机接口在临床中还处于试验阶段，尚未大面积在临床上推广应用，相关的试验领域主要有以下几个：

一是对意识障碍的病人，通过脑机接口技术来判断其目前的昏迷程度，将来有没有可能苏醒，这是一个目前已经在做的工作。

二是关于脊髓损伤。大家都知道截瘫的病人，不管是颈部还是胸腰段的，截瘫以后四肢不能动或者双下肢不能动，对于这部分病人已经成功地在损伤的阶段放一个电刺激器，电刺激器发出信号以后，可以帮助病人恢复行走。

如何能够通过脑来控制它，不是通过刺激器来控制是下一步的研究方向，如果能够通过脑子来控制刺激器，这样就能够完成真正的脑脊髓接口。

三是在采集信号领域。病人本来是麻醉状态，现在通过术中清醒把病人唤醒，就可以采集信号，比如运动状态下5个手指在不同的区域，过去只是说这个手在哪，现在我们可以精确到每个手指在哪，这样对将来的脑机接口电极放在什么部位可以提供一些技术上的支持。

脑机接口——元宇宙的入口？

国信证券指出，在娱乐领域，或许脑机接口是元宇宙的入口。

脑机接口在发展过程中正逐步与玩具、VR/AR结合，而这也构成了当前进入虚拟3D数字世界的主要方式：

通向“元宇宙”的8个关键特征，即Identity（身份）、Friends（朋友）、Immersiveness（沉浸感）、LowFriction（低延迟）、Variety（多样性）、Anywhere（随地）、Economy（经济）、Civility（文明）

美国科技公司 Cognixion 在 2020年发布了基于脑机接口的 AR 头显，可在屏幕、游戏、电话、办公影音等多个场景实现沉浸式体验。

目前脑机接口游戏产品主要以评估专注力为主的初级游戏为主。游戏模式相对简单，与移动游戏产业最初的“捕鱼”“切水果”模式类似。

据上海市人工智能行业协会2021年发布的报告显示，未来五年(2021年-2025年)全球范围内广义的脑机接口市场规模有望达到3300多亿美元，主要应用于医疗、游戏娱乐和教育科技等领域；而以脑机接口设备为代表的狭义市场规模约为25亿美元。

根据麦肯锡于2020年出具的研究报告，预计脑机接口相关市场规模在2030-2040期间可达700亿-2000亿美元。

脑机接口发展仍面临诸多挑战

不过，脑机接口产业技术十分复杂，距离现象级应用还面临诸多困难。

首先，脑电信号采集方法有待改进。1）侵入式接口最大的挑战是手术如何将对脑部的损伤降到最低，并且随着植入时间延长，穿刺电极被炎症细胞包裹，会导致信号缺失；2）非侵入式信号较差，脑电信号采集过程中，夹杂着不少干扰成分，如肌信号干扰等，因此设计抗干扰能力强的脑电信号采集设备等问题有待解决。

其次，软件系统稳定性、自适应性较差，信号处理方式和信息转换速度有待提升。如何改善信号处理方法使之系统化、通用化，从而快速、精确、有效地设计出实用脑机接口系统的问题也有待研究。

侵入式脑机接口对植入芯片的软硬件要求较高。1）硬件设计开发上，植入芯片对集成工艺、微加工制造技术、测试技术、感应供电提出新要求；2）软件系统上，植入芯片的软件系统则对数字模块架构和逻辑设计、建模、驱动 程序、信号放大、模数转换、数据压缩、编解码提出较高的要求。

如何把信号精确地传送到脑内相关技术有待探索。该技术的实现才意味着实质性的脑机互动、甚至实现脑脑互动。由于大脑对视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉等感知非常复杂，不是单一而是混合的，如何进行多模态感知的混合解析，并高效地编译为脑可“读”的“兼容数据”，这些技术挑战仍需要有待探索。

海南博鳌医疗科技有限公司总经理邓之东此前在接受媒体采访时总结指出，脑机接口涉及设备、脑电采集、无线通信、信号处理、存储介质、交互系统、芯片算法等诸多环节，芯片和算法是技术难点，脑信号的模拟和“写入”机制尚不明确，交互设备尚未实现标准化量产，交互方法不成体系。

来 源| 21世纪经济报道

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