2014年巴西世界杯开幕式上，在全球超10亿观众的见证下，一名身穿钢铁侠式紧身衣的截瘫青年借助一副“机械战甲”外骨骼装置，用脑电波控制自己的“脚”踢出了第一球。这一瞬间无疑令人惊叹，又无不充满感动。
这一创举性的一幕，于科学技术界而言也具有划时代的意义。这是科技史上首个实现机械外骨骼装置受瘫痪患者大脑活动控制的案例，人脑与机器之间的交互迎来了历史性突破。近年来，伴随神经科学与相关技术的不断发展，人机交互的模式也在不断演进与变化。作为神经科学最前沿的领域，脑机接口成为了当下最新一代的人机交互方式，得到了世界各国的充分重视与布局支持。
脑机接口，全称为pain-computer interfaces。简单来讲，就是将人脑与外界（计算机或其他外部装置）实现连接，进行直接通信。经过过去的研究和探索，如今的脑机接口技术已经走过了最初的科学幻想，逐渐进入了技术爆发阶段，备受行业人士与资本市场的关注。
那么，脑机接口究竟是一项什么样的技术？市场现状如何？又有哪些实现场景与投资机会？近期，华兴资本出品了脑机接口行业研究分析报告。华兴新经济基金医疗科技团队通过对脑机接口的基本概念以及脑机接口的实现与临床应用进行分析，并对其市场规模、产业链以及投资逻辑进行了深入的探讨，汇总成本篇文章，期望能带给大家一些启发与收获。
脑机接口概况
1、脑机接口的定义及发展趋势
脑机接口（Brain Computer Interface,BCI）：不依赖大脑的正常输出通路（即外围神经和肌肉组织）就可以实现人脑与外界（计算机或其他外部装置）直接通信的系统。
发展趋势：逐渐从简单的单向脑机接口（产生、获取解析脑信号）到人机交互，最后达到人机共融、协同决策的高智能状态。
资料来源：华兴资本分析
脑机接口系统由七大部分组成：大脑、脑信号采集、脑信号预处理、信号解析、控制接口、外部控制设备和神经反馈，形成了一个闭环。外部设备可以是不同型号的计算机或各类器械设备，如日常的笔记本电脑，用于治疗用途的脑起搏器，或是轮椅、假肢等外部控制设备。
资料来源：华兴资本分析
2、脑机接口的发展历史
脑机接口的学术论证和应用实践已有数十年的历史，而人类对脑电的学术探索还要更早。
1924年，德国精神医学家贝格尔发现脑电波，开启人类对脑电的数字化记录。1970年，脑机接口的第一篇论文出现，美国国防高级研究计划局也开始涉足脑机接口领域。2004年，脑机接口从科学论证阶段跨越到了应用实验阶段，代表事件是元老级BCI企业BrainGate实现了用侵入式脑机接口治疗瘫痪患者，而这位瘫痪患者于2014年借助脑机接口与外骨骼在巴西世界杯完成开球。
近几年，国内外均有脑机接口初创公司带着他们的概念产品亮相，其中最具代表性的是马斯克创立的Neuralink。随着神经科学与相关技术的不断突破，脑机接口技术开始进入快速发展的阶段。
3、脑机接口的意义
作为一项颠覆性的技术，脑机接口在医疗领域的疾病治疗、功能恢复上展现出巨大的价值。
首先，全球范围内脑疾病患者群体规模庞大，未能满足的临床需求持续存在；其次，脑部疾病的药物研发难度很大，很多神经、精神疾病的致病机理至今都没能摸清，临床试验设计的难度也很高，且神经类药物也常常伴随着较明显的副作用。
资料来源：BIO、QLS Advisors、Biomedtracker
如图所示，脑部疾病相关药物从临床试验最终走向上市的概率仅5.9%，在所有疾病药物中的研发成功率最低，并且近年来批准的神经系统疾病药物的数量也维持在个位数。因此，脑机接口作为创新疗法的有力候选，有望打破僵局，突破治疗手段和药物研发的限制，来治愈脑疾病和恢复受损的脑功能。
4、各国政府给予脑科学研究充分重视
面对临床端的未满足需求，各国政府开始给予脑科学研究充分重视，纷纷推出国家层面的重磅规划。中国脑计划的重点是脑科学与类脑科学研究。
脑科学研究关注脑认知功能的神经基础，旨在探索大脑的秘密；类脑研究是借助对大脑的理解去发展新一代人工智能技术。在这些领域中的研究和成果转化将受到很高的关注度。但我们需要清醒的认识到，在脑科学和脑机领域中的多项核心技术还未完全实现自主可控，比如，国内脑电信号采集设备严重依赖进口，脑机芯片、电极等脑机核心组件也亟需发展国产产品。尤其是在2021年10月美国商务部将脑机接口技术纳入出口管制项目的背景下，脑机技术全面自主可控也将成为一项我们长期、艰巨但必须完成的任务。
资料来源：华兴资本分析
脑机接口的运作方式和场景应用
本质上，脑机接口利用神经活动作为控制信号，实现人脑与外界（计算机或其他外部装置）的直接通信。而神经活动的信号包括电信号、磁信号和血流变化及代谢信息。由于神经活动的本质是电信号的产生与传递，因此本研究将着重阐述电信号检测与刺激方法以及基于脑电的脑机接口电信号的类型。
1、脑机接口与大脑的三种交互范式
脑机接口与大脑发生交互有三种范式，分为读、写和双向。第一种是读，也就是记录大脑信号，比如通过侵入性或非侵入性技术，读取大脑的电信号或者血氧信号等来检测神经活动。第二种是写，通过电、磁、超声等作用方式，将能量或信号输入大脑，可以起到兴奋、抑制或调节神经信号的效果，从而改善脑部功能。第三种是双向，融合了前两种交互的范式，实现记录与实施刺激的协同。
1）读（记录大脑信号）
按工作模式分类，记录脑电信号的技术分为侵入式和非侵入式，区别就是看需不需要穿越颅骨。
资料来源：华兴资本分析
a.非侵入式脑电检测
非侵入式脑电检测以脑电图（EEG）为主，采集多个神经元的协同活动。采集设备不会进入人脑，仅需体外佩戴。
因为颅骨和硬脑膜会阻拦部分高频信号，且外界干扰对EEG信号的影响很大，导致EEG信号的信噪比较低，空间分辨率较低，所包含的功能信息较少。但因为无创伤、低成本的优势，EEG可以广泛应用于大量消费医疗领域、部分严肃医疗领域。目前EEG脑电图是癫痫诊断的金标准，也应用于神经功能的治疗、电动轮椅或机械臂的控制。
资料来源：华兴资本分析
b.侵入式脑电检测
侵入式脑电检测需要打开颅骨来放置电极，直接在大脑皮质内采集脑信号，采集路径短，信号受干扰较小，其时间分辨率在0.01秒内，空间分辨率可达到微米级，可以采集到更高质量的脑电信号。但由于技术难度大、临床风险较高和价格昂贵等，使得其广泛应用受到了限制。
如下图所示侵入式脑电检测会根据是否植入皮层内或创伤的程度，可进一步细分为半侵入式脑电和植入式脑电。
资料来源：华兴资本分析
（1）半侵入式脑电（ECoG）
将一个平面柔性电极，在打开颅骨后直接像膏药一样贴在大脑皮层上，但并不刺入皮层。相比EEG，ECoG减少了颅骨阻隔，拥有更高的空间分辨率，经常被用于癫痫病灶术前精准定位。
（2）植入式脑电
植入式电极通常需要进行开颅术，再将电极植入。手术植入和长期的电极与脑组织间的位移都会对脑组织产生损伤，其劣势就是安全性问题。不过由于植入式电极可记录高频信号，精准定位异常神经元所在，且电极直指病灶，因此是脑科学领域研究、脑部疾病的有力工具。
总结来看，从信号质量来说，植入式>半侵入式>非侵入式。但手术创伤和长期损伤风险都是侵入式大于非侵入式，非侵入式安全。侵入式需要动神经外科手术，而且还有电极长期在脑内会带来的物理损伤和免疫损伤，技术难度很大，这导致了目前基于侵入式技术的脑机公司仅占不到5%
资料来源：华兴资本分析
2）写（刺激大脑）
除了输出大脑信号之外，我们也可以尝试将信号输入大脑。按照工作方式，可以把刺激方法分为非侵入式和侵入式，按技术方式可以分为电刺激和非电刺激。
资料来源：华兴资本分析
基于电刺激的手段有以下三种：
资料来源：华兴资本分析
基于非电刺激的手段有以下两种：
资料来源：华兴资本分析
3）双向交互（同步记录与刺激）
我们希望看到的，也是更加智能的脑机接口形态，是既有记录又有刺激，既有信息输出也有信息输入的闭环式脑机接口。
此类闭环式脑机接口的代表是Neuropace公司的自主式癫痫治疗系统。它包含采集电极、神经起搏器和刺激电极，让神经起搏器中来担当智能中枢，根据分析监测到的脑部异常放电来决定何时输出电刺激，实现更精准有效的治疗。
另一个案例是带触感反馈的机械手。传统机械手都是通过脑电或者肌电来控制，只有信号输出，但是对外界刺激没有主动反应，如被尖锐物品扎刺不会缩手。但大脑和手应该是有互动的，大脑给手发出运动控制指令，手也要以触觉的形式向大脑反馈信息。带触感反馈的机械手就实现了这样的双向互动，更真实地还原自身神经通路的通信模式，有更大的应用价值。
资料来源：华兴资本分析、Neuropace官网
总结这三种交互方式，读取，主要被应用于运动辅助和对外交流（如意念控制机械臂，意念打字），也被应用于疾病诊断。
写入，刺激大脑，主要应用于疾病治疗，如经颅磁刺激治疗自闭症。技术难点在于理解神经信息和功能之间的关系，比如要用电刺激感觉皮层产生虚拟触觉，输入的电信号的幅度和频率如何影响虚拟触觉的强弱；另一个难点是针对于刺激大脑以实现治疗作用的刺激技术来说的，需要去探明刺激哪一片脑区可以收获最佳治疗效果。
双向交互，该技术路线是我们最期待的。当应用于治疗时，双向的脑机接口比单向的治疗效果更加优化；当应用于运动辅助，则可以更好地还原真实神经通路的交互模式。双向的要确保实时的反馈和智能调控，实现起来难度较大，但也更具价值。
资料来源：华兴资本分析
2、脑机接口的场景应用：
非侵入式脑机接口，同时在消费和临床两大场景均有应用，典型的消费级应用包括睡眠监测、抑郁情绪早期监测恢复、压力情绪监测等。临床级应用包括意识监测、意识障碍改善、认知障碍改善、精神疾病失能改善、儿童多动症改善、听觉、视觉、触觉等感觉缺陷的替代。
资料来源：华兴资本分析
而侵入式脑机接口，主要用于临床级应用，具体的临床适应症更偏向于一些难治性脑部疾病比如癫痫和肢体运动障碍等。
资料来源：华兴资本分析
1）在消费医疗领域的应用示例情绪评估与干预
对于类似抑郁等情绪，心理治疗界的传统识别方式主要是基于面部表情、肢体动作、语言等维度的综合量表，难以准确定量评估。但是通过脑电信号相位、幅度的识别则可以更加准确监测、评估患者的情绪状态，并针对特殊情绪的脑电信号制定专门的训练任务以调整患者状态，实现精准调控。
2）在严肃医疗领域的应用示例中枢神经系统（CNS）疾病的治疗
脑机接口在严肃医疗领域中最重要的应用是中枢神经系统疾病的治疗。中枢神经系统疾病目前占据中国居民医疗总花费1/5，高于癌症位居第一。中枢神经系统疾病分为器质性疾病和功能性疾病，这两类均具有庞大的患者人群。
资料来源：华兴资本分析
其中，器质性疾病是由因外力、脑部缺血或细胞病变等引起的脑组织损伤，典型的包括脑震荡，脑卒中、老年痴呆及脑肿瘤等，脑机接口的治疗方式以改善为主，旨在提高患者的生活质量。而脑部功能性疾病则是由神经功能失调引起，典型的包括癫痫、帕金森、精神分裂、抑郁症、焦虑症、成瘾等，对于这类疾病脑机接口的治疗方式则是以实现治愈为目标。
举例来看，脑机接口帮助脑卒中“失语”瘫痪患者实现沟通自由，实现大脑对外交流途径的重建。另外脑机用于大脑康复刺激的原理也被用于中枢神经系统中的脊髓刺激从而恢复运动功能的应用中。部分瘫痪患者仍保留健全四肢，脑内仍可以进行运动想象，但由于神经损伤，运动指令难以下达到肢体，这时可以通过外部建立神经通路的方式实现运动功能恢复，比如Onward公司就设计了一款脊髓电刺激器，通过靶向刺激脊髓中腿部和躯干运动相关的所有神经，使得瘫痪患者能够迅速恢复独立运动能力。
脑机接口的市场规模及技术新方向
1、脑机接口市场规模
根据麦肯锡的测算，全球脑机接口医疗应用的潜在市场规模在2030-2040年有望达到400亿-1450亿美元，其中严肃医疗应用潜在规模在150亿-850亿美元，消费医疗应用潜在规模在250亿-600亿美元。
资料来源：麦肯锡，华兴资本分析
根据华兴医疗投资团队的研究测算，以单台脑机接口设备5万元售价计算（不考虑服务和其他耗材的销售），中国严肃医疗领域脑机接口潜在市场规模超过1000亿，其中脑卒中康复和难治性癫痫是最大的市场，也是目前临床上探索和应用相对成熟的领域。
资料来源：华兴资本分析
2、脑机接口产业链与核心壁垒分析
脑机接口产业链的上游是硬件、软件与脑功能研究，其中硬件主要包括芯片、电极、探针以及电极的植入机器人等；软件主要是脑机信号的解析算法和软件；而脑功能研究也属于整个行业的基础设施。目前临床界对大脑的研究仍处于起步阶段，通过CT、MR等影像设备的帮助，我们能够通过脑部的影像学结构判断各脑区的形态是否完好，但是脑区的功能仍然是一个黑匣子，临床领域无法对脑功能进行定量评估。
在产业链上游领域，构成核心壁垒的是电极和芯片，目前也是包括Neuralink、Blackrock Neurotech、Neuropixels等国内外诸多企业重点技术攻关的领域。
产业链中游，是开发脑机接口平台以及脑机的接入设备，如外骨骼和可穿戴设备等产品的企业。其中既包括传统的DBS/VNS设备，也包括其他新型的侵入式脑机以及非侵入式、植入神经血管的微创式脑机。从脑机的下游应用来看主要包括数字疗法、AR/VR、交互通讯等。
资料来源：华兴资本分析
3、脑机接口的技术新方向：血管内支架技术
先前植入式脑机接口的技术包括在颅骨钻孔，将电极针直接插入脑组织等，这些方法可能会导致患者出现长期的脑部炎症。Synchron公司的Stentrode微创式脑机装置，其特殊之处在于，它是通过血管介入技术从将设计成血管支架状的脑机装置，从颈部底部静脉输送进入脑部血管，并自脑部血管内采集并转译大脑的神经活动。目前Synchron公司的产品已经拿到了FDA突破性医疗器械的认证并正在推进临床试验中，国内也已有多家企业在尝试相似的技术路线。
资料来源：华兴资本分析、Synchron官网
脑机行业投资逻辑重点关注场景
1、脑机接口的分类
资料来源：华兴资本分析
脑机接口按照信息流走向可分为输出型、输入型和闭环反馈型；按照工作方式可分为侵入式和非侵入式；按照应用场景可分为严肃医疗场景和消费场景；按照产业链可分为上游（硬件、软件与脑功能研究）、中游（产品厂商）和下游服务；按照商业模式可分为产品和服务两类。
在大部分重大脑部疾病治疗与功能康复中，侵入式路线的脑机具有更明显技术优势，将可能成为覆盖这些患者人群需求的主流路线。
资料来源：华兴资本分析
综合对几种技术路线、应用场景与商业模式的分析，考虑到脑部重大疾病治疗/康复产品的刚需性和市场规模，以及侵入式脑机的高技术壁垒（电极、芯片、电极植入机器人、电池、信号采集与解码等），侵入式脑机接口将会是我们目前关注的重点
资料来源：华兴资本分析
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本文由华兴资本新经济基金团队制作。本文所载的见解、分析、预测、推断和期望只反映本文作者于最初发布日期当日的判断，可随时更改而毋须另行通知。本文作者不就本文内容作出任何陈述或保证或提供任何其他担保。因使用本文材料而承受的直接或间接或相关之损失，本文作者均不承担任何责任。
