从脑机接口，看脑科学发展

2014年 巴西世界杯 开幕式上，一位全身瘫痪的前足球运动员 通过脑机接口技术操控外骨骼 ，成功完成了一个2秒的开球动作。10年前的这2秒一直被认为是脑机接口 技术的里程碑 。 通过脑机接口技术，这名前足球运动员重拾了源于球场的自信。在嘈杂的球场环境中，脑机接口发挥了稳定操控的技术潜力。

脑机接口技术的发展并非偶然，而是 跨学科创新融合 的成果。从脑科学、神经科学到材料科学、心理学，再到计算机科学， 脑机接口已经成为多学科交叉的前沿阵地 。在脑机接口的开发过程中，我们不仅在扫清大脑与机器之间的障碍，更在逐步揭开大脑奥秘的同时，推动着 人类智慧进一步发展 。

在本篇行研报告中，我们将从脑机接口的 分类、科学原理、发展脉络和商业化路径 入手，分析这一领域的创新机会与发展方向。这也是我们发布的 第三篇与脑科学相关的报告 ，之前我们于2021年、2022年发布的两篇行研报告侧重于脑与认知科学领域的起源、研究方法，以及发展出的新工具与新疗法。

/ 01 / 脑机接口是什么？对人类有什么用？

人类的大脑是一个异常复杂的结构， 拥有860亿个神经元，超过万亿的神经元连接 ，是目前已知信息处理能力最强的“计算机”。

《纽约时报》刊登过两张照片，一张是小鼠的大脑神经元网络，另一张是宇宙的星系，二者惊人地相似。大脑与整个宇宙似乎拥有一样的连接结构。因此，人的大脑也被称为 “ 3磅重的宇宙” 。

我们如何研究大脑复杂的连接结构，观察、解读乃至调控大脑的活动？

脑机接口 通过建立 人脑与外部设备交互的“桥梁” ，为我们提供了一种新的思路。

具体而言，脑机接口中的 “脑” 指的是人类大脑和中枢神经系统， “机” 则是外部设备，比如机械臂、键盘、鼠标、摄像头，甚至无人机、电子皮肤等装置。脑机接口既可以将大脑的想法转化为指令，控制设备，也可以通过外部设备，向人脑写入信息。

脑机接口的研究看似充满科幻色彩，实际上试图解答一些根本性的问题，比如，大脑的意图能否被解析？是否可以直接读取甚至“下载”大脑中的知识？另外，脑机接口的应用潜力也让人充满期待。比如，脑机接口能否让我们变得更聪明，能否实现“一心多用”，等等。

从更宏观、更长远的视角来看，脑机接口的价值在于人们将不再依赖语言或者肢体运动，而是 直接以大脑为媒介，与外界建立沟通。

人类无法以超越自我语言的速度和别人沟通。 然而，我们大脑中的知识和体验往往比语言和行为更丰富，我们的大脑也有能力通过训练适应更快的阅读（信息输入）和写作（信息输出）速度。

一个更加具体的对比是， 虽然人的大脑拥有比同功耗的电脑更高的算力 ，但传统的语言和文字输出速度相对较慢，一般每秒40～60比特，计算机传输信息的速度远高于此，能够达到每秒百万比特的水平，大概是语言的20多万倍。

脑机接口的出现有望打破传统语言的束缚，更高效地传递大脑中的信息。这种新的沟通形式将在 回答神经科学的基本问题、干预大脑疾病、提升学习交互效率 等不同层面产生巨大的价值。

/ 02 / 为什么当下要关注脑机接口？

1973年 ，脑机接口的概念被正式提出，如今已经过了半个世纪。 2016年 ，标志性脑机接口公司 Neuralink 成立，至今已经过了7年。

如果说7年前，脑机接口行业主要围绕材料的创新和大脑电生理信号的解读， 那么目前行业已经开始关注产品和临床应用的开发 。

在产品和临床端 ，Neuralink已于2024年11月获得了加拿大卫生部临床试验批准，并开始招募志愿者，以评估Neuralink的脑机接口在“帮助四肢瘫痪患者用意念控制外部设备”方面的初步功能。在国内，清华大学洪波教授团队与企业共同开发的脑机接口产品，于2024年8月成为我国首款进入创新医疗器械特别审查程序的脑机接口产品。

在产业端 ，2024年12月，由天桥脑科学研究院与脑机接口协会联合主办的国际脑机接口大会在上海召开，这是该国际顶级学术会议在创办25年后首次落户亚洲。

在行业标准方面 ，2024年5月，国家网信办等三部门印发《信息化标准建设行动计划（2024—2027年）》，强调推进脑机接口标准研究，加强输入—输出接口、脑信息编解码算法、脑信息安全与隐私保护等关键技术和应用标准的研制。2024年6月，中国科技部发布《脑机接口研究伦理指引》，界定和划分了脑机接口技术中的术语，澄清了伦理审查工作中可能遇到的概念模糊。 这是我国首次专门编制关于脑机接口研究的伦理指引文件。

为什么脑机接口这么热，我们为什么要关注脑机接口？

从技术演进的角度 ，脑机接口是一个交叉领域， 集成了脑科学、材料科学、人工智能等 领域的最新进展，这些单学科的进展将推动脑机接口的发展。2000年以来，覆盖不同学科的脑机接口专利的数量有了显著的增长。

从科研的角度 ，今天的脑科学研究已经从“无从下手”进入“部分有了手段，尚待深入”的阶段。而通过侵入式脑机接口技术，预期可以实现从单个神经元到百万神经元的观测，帮助我们更好地 理解人体大脑的微观活动和介观活动 。从尺寸的角度，电极目前是实现微观到介观人类大脑观测的唯一手段。脑机接口会为 解开脑科学的谜题 带来新的结论。

在临床应用中 ，脑机接口为一些无药可治的疾病带来了治疗新希望。比如，脑机接口有望缓解中枢神经系统疾病（CNS）药物研发缓慢、无药可用的困境，可以提供一种评估CNS药物大脑效果的方法。具体来看，脑机接口应用于人体临床治疗，可以干预骨髓损伤、语言区损伤造成的失语症等无药可医的疾病。

在市场规模层面 ，脑机接口的市场增长速度快。根据研究机构Precedence Research和Market.US的数据，2023年 全 球 脑机接口市场规模 已超过20亿美元 ，预计将以17%的年复合增长率增长，到2033年将突破100亿美元。而依据量子位发布的专题报告，到2040年， 我国 脑机接口行业的综合市场规模有望达到 1250 亿元，其中 设备 市场规模可能 超过500亿元 。

另外，考虑到 国际竞争日益激烈和大脑数据的敏感性 ，开发和发展自主可控的脑机接口电极材料、设备和算法，对于推动国内脑机接口产业的发展是必要的。

早在2018年11月，美国商务部出台的针对最新的14大类关键技术和相关产品的 出口管制框架 中，就提到了包括神经控制界面、意识—机器界面、直接神经界面等与脑机接口直接相关的内容。而从 专利数量 上看，我国在脑机接口技术开发中的优势主要体现在脑电数据编解码和脑机接口优化设计方面，而美国更关注与应用场景直接相关的领域，譬如多场景应用、多模态与感官分析方法等。

/ 03 / 脑机接口有哪些种类？

一、根据与大脑的物理作用方式

根据与大脑的物理作用方式，脑机接口可以分为 侵入式、非侵入式、半侵入式和介入式 四个类型。我们可以用“ 探索星体 ”的视角，理解不同类型的脑机接口如何探究人类的大脑。

1、侵入式

侵入式脑机接口 类似在星球探索中， 直接登陆、收集并带回各种土壤和标本 进行研究。

侵入式脑机接口直接把电极植入大脑内部，以记录或调控神经元电活动。记录的内容一般包括单一神经元脉冲放电和局部区域内多个神经元放电产生的总体电位变化。相比其他类型的脑机接口，侵入式脑机接口 通过原位采集的方法 获得的脑电信号 最精确，信息量最大 。

从临床转化角度看，侵入式脑机接口是目前记录乃至调控单个神经元到百万级别的神经元， 覆盖微观到介观尺度的唯一手段 。侵入式脑机接口的开发被认为是解读大脑、干预某些脑重大疾病的必由之路。

另一方面，侵入式脑机接口在植入时需要进行 开 颅手术 ，在植入后往往难以拆除，植入物需具备长期的 生物相容性 。因而，侵入式脑机接口的发展相对缓慢。在临床上，科研人员会着重评估患者的风险与获益，优先将脑机接口面向严重的肢体疾病或者脑疾病患者。

目前，通过采集脑电信号，并根据异常信号施加电刺激治疗的“ 脑起搏器 ”，可以视作已经 商业化 的“侵入式脑机接口”，主要应用于帕金森病、特发性震颤、癫痫等疾病的治疗。

相对而言，能够更广泛解读大脑信号的侵入式脑机接口技术仍处于 临床试验阶段 。比如， 犹他电极 是侵入式脑机接口常用的电极，在2004年获得FDA临床试验许可。多达100根纤细如针一样的电极，排布在不到1元硬币大小的金属材料上，能够同时采集数百个神经元的活动。截至目前，全球仅有不到40位受试者接受了犹他电极的植入试验。

2、非侵入式

非侵入式脑机接口类似于远距离观测星球。

非侵入式脑机接口，一般是在 头皮表面 或采用非接触的形式采集或干预大脑活动信号。常见的采集信号包括脑电信号、脑磁信号、脑血氧信号等，常见的干预手段包括经颅电刺激、经颅磁刺激甚至是感官刺激等。

这种方法无需开颅手术，使用者往往只需要佩戴头盔、额头贴，甚至无需与设备直接接触，因而安全性和临床使用便捷性较高。不过因为受到人体大脑颅骨的屏蔽和扭曲，非侵入式脑机接口 信号分辨率不高 ，信息量可能相对有限，目前适用的控制任务较简单。

因为使用者接受程度高，非侵入式脑机接口优先得到了偏消费级应用场景的青睐， 商业化潜力不能低估 。比如，脑陆科技曾发布的睡眠贴SleepUp可用于睡眠监测，也能适当助眠。目前，科学家正在开发新的“ 电子纹身脑机接口 ”，这是一种基于导电高分子材料的液体墨水，墨水干燥后，能够在皮肤表面形成一层使用者近乎无感的薄膜电极，透过头皮捕捉大脑活动。

3、半侵入式

半侵入式相当于 在卫星轨道上观测星球 。半侵入式脑机接口介于非侵入式和侵入式脑机接口之间，虽然仍需要通过手术布置电极，但电极并不刺入大脑皮层，而是像贴片一样， 粘在颅骨下、皮层上方 。

因为不受颅骨屏蔽的影响，这一类脑机接口技术 采集的脑电信号分辨率 显著优于非侵入式。同时，电极位于皮层上方，受到的免疫排异和振动位移小， 安全性高于侵入式 。因而，相比侵入式脑机接口， 半侵入式在临床端更容易得到认可 。

半侵入式脑机接口远期可能是面向 瘫痪、渐冻症、肌功能障碍 等严重疾病的商业化方案，近期是 完善侵入式脑机接口临床方案 的重要里程碑。清华大学洪波教授和企业联合开发的脑机接口目前已完成三例瘫痪患者的电极植入，所采用的正是半侵入式脑机接口技术。在科研端，半侵入式脑机接口在 语言 脑机接口上取得了不错的进展，并被用于 探索视觉重建、意念控制 等不同的场景。

4、介入式

半侵入式相当于 在卫星轨道上观测星球 。半侵入式脑机接口介于非侵入式和侵入式脑机接口之间

介入式脑机接口类似于 在地表下的管道内 探测星球。介入式脑机接口是通过 静 脉支架的方式 将电极送到离大脑目标区域较近的静脉当中，采集或干预大脑活动。

得益于心脏支架近50年的临床使用历史，介入式脑机接口的安全性好、稳定性高，部分产品已经经过临床试验的验证。另一方面，由于血管对于脑电信号的屏蔽仍然显著，而且感兴趣的脑区可能没有均匀的静脉分布， 目前介入式脑机接口只能完成比较简单的任务 ，比如脑控光标移动。

从商业进程上看，介入式脑机接口可能是在非侵入式脑机接口之后，率先能 面向患者推广的脑机接口产品 。

美国Synchron公司开发的Stentrode产品就是一款介入式脑机接口，通过皮下植入，并经由血管延伸到运动皮层附近，检测运动皮层的电信号。患者可以通过这一设备无线控制触摸屏、鼠标、键盘，实现打字、发邮件甚至在银行里开户等操作。

二、按照中枢神经系统系统与外界的交互方式

按照中枢神经系统（CNS系统）与脑机接口的交互方式，可以将脑机接口分为 读、写和读写融合 三种类型。

读型 脑机接口通过电、磁、血氧等信号记录大脑活动，输出端是外部设备，如脑控机械臂，这是比较常见的脑机接口类型。

写型 脑机接口通过电、磁、超声等作用方式，将能量或信号输入大脑。输入端是外部设备，如视觉假体。这一类脑机接口的作用对象和干扰因素均是大脑本身，其开发需要深入理解大脑的生理状态，甚至是高级认知过程等。

读写融合型 脑机接口能够融合两种交互范式，实现记录与刺激的协同。这一类闭环式的脑机接口是当前研发的前沿领域，旨在高效和个性化地实现脑机接口的功能。

Neuropace开发的 采刺一体式癫痫治疗植入设备 ，可以视作一种最简单的读写融合类脑机接口。通过皮层半侵入式电极捕捉癫痫相关异常脑电信号，触发脑深部电刺激抑制癫痫发作。另一类读写融合式脑机接口是目前在研的 “神经电子桥”或“脑脊接口” ，从大脑提取运动控制信号，然后将电刺激施加于脊髓断裂处的下方，恢复病人肢体功能。我们将在下文详细展开。

三、按功能演进

脑机接口按功能的演进可以分为 修复型、改善型、增强型和沟通型 四类。

1、修复型

修复型脑机接口 用于弥补患者身体失去的机能，主要针对人的运动（包含语言表达）和感觉系统。开篇我们提到的 巴西世界杯 上，瘫痪的前足球运动员完成2秒开球，所使用的就是修复型脑机接口。

修复型脑机接口一直是研究的 主流方向 。一方面，运动皮层和感觉皮层的面积较大，有利于开展神经电生理的研究；另一方面，针对运动与感觉的试验可以得到受试者最直接的反馈。

迄今为止，虽然人们在理解运动和感觉的大脑编码领域取得了一定进展，但仍无法建立完善的 人的自由意志与特征大脑信号的对应关系 。脑机接口发展的半个世纪以来，修复型脑机接口主要处在实验室阶段或者临床试验阶段。未来，修复型脑机接口的开发，可能需要基于更完善数据下的 解码能力 ，以及 配合 人类大脑本身的 学习过程 。

在修复型脑机接口中，最成功的实例是 人工耳蜗 。根据贝哲斯咨询的报告，2023年全球的人工耳蜗市场达到 20.55亿美元 。值得注意的是，人工耳蜗并不是直接作用于人的听觉皮层，而是通过不同电极分不同频率地 与听觉神经（螺旋神经元）连接 ，模仿耳蜗传递不同频率声音的工作原理。人工耳蜗修复的是人听到不同频率声音的能力，而不是帮助人形成对于声音语义的理解。在植入人工耳蜗后，患者一般需要一年左右的时间，从听到不清楚的对话和无法分辨的声音， 来慢慢“听懂”之前自己已经熟悉的语言 。

2、改善型

与修复型脑机接口不同， 改善型脑机接口 往往不局限在皮层某个单一区域的电活动，而 关 注神经递质的变动 ， 以及全脑脑网络的活动 。

大脑不是一个客观信息的被动接收者。 大脑的可塑性能够给改善型脑机接口提供“土壤” ，从而让脑机接口进行精神状态的调节，乃至精神疾病的治疗，比如改善失眠、管理焦虑情绪、干预强迫症、治疗抑郁症等。

值得一提的是，《自然医学》杂志上的一篇学术文章曾分析了超过800例抑郁症患者在静息态和特定任务状态下， 与抑郁症有关的六种脑网络的活动模式 。

通过对这六种网络对应大脑区域的活跃程度和连接组进行量化评估，并与健康人群进行对比，作者确定了六种不同的抑郁症分型，每种分型都对应独特的大脑活动模式。根据分型结果，作者对不同患者尝试采用不同的治疗策略， 发现抑郁症分型与不同的临床症状和治疗反应相关 。

这种对抑郁症患者脑活动的解读、分型及治疗试验表明， 特定的大脑活动模式可以预测对个体患者最有效的治疗策略 ，有望为抑郁症治疗的改善型脑机接口提供重要的理论支撑。

3、增强型

改善型脑机接口主要面向精神疾病患者，而增 强型脑机接口旨在增强健康人群的大脑功能 ，包括 提升专注力、增强记忆甚至是多任务处理 等。增强型脑机接口的开发同样与脑图谱研究的进展关联密切。

一个增强型脑机接口的案例是日本尼桑开发的 驾驶员头戴式脑机接口 ，其在紧急情况下可将脑电波传给汽车从而迅速制动。开车时，身体行为反应比大脑活动滞后，脑电信号控制刹车一般能够节约 0.2～0.5秒的反应时间 ，对应以每小时120千米高速行驶的汽车 ， 意味着将开始制动的位置提前约7米 ，这对于提高驾驶的安全性意义重大。不过，因为采用非侵入式设备记录的脑电信号在控制精度和实时性上相对有限，特别是人脑在驾驶时往往是多任务模式，所以记录的数据复杂且因人而异，“脑控刹车脑机接口”想要 落地可能还需要很长一段时间 。

另一个已经商业化的案例是Thync公司开发的脑机接口产品Feelzing，通过非侵入性的经皮耳迷走神经刺激， 提升人在任务模式下的专注力 。公司自行开展的双盲对照试验数据显示，约三分之一的受试者获得了较强烈的改善，包括大脑敏锐度提升、情绪和工作积极性改善、精神疲劳减少、效率提升等。

4、沟通型

沟通型脑机接口 是未来的研究重点，它的目标是通过超越传统语言的方式实现思想的直接交流，从而加速学习、工作和沟通的效率，实现人际交流中的“ 心领神会 ”。沟通型脑机接口将带来等效学习和交流内容的增加，成为“群体智慧”进步的重要驱动力。

在目前的研究中，脑机接口仅能实现对于 单一感觉或者单一冲动的“共享” 。2018年，华盛顿大学开展了一项三人协作玩 俄罗斯方块 的实验，通过从视觉皮层提取脑电信号特征，并由经颅磁刺激传递“冲动”感觉，实验初步验证了人类可以在无语言交流下，仅通过脑电信号进行任务协作。

/ 04 / 脑机接口的脑科学原理：本体感觉

我们在之前关于脑科学的行研中曾经提到一些关于脑科学的原理， 比如 神经可塑性 ，描述的是神经元具有重新生成及进行新的连接的能力。新生成的连接可以使大脑的某些区域以与先前不同的方式运作。

我们将在本篇中详细介绍另一个不太被提起的脑科学原理—— 本体感觉，我们可以将其视作神经可塑性的延伸 。

大脑不仅是一个信息接收器，它还能够对外界进行重构，将外部物体纳入自我感知范围。这种延展的认知能力被称为 “本体感觉”或者“近体空间” 。

我们平时察觉到的更多是大脑传递给我们的“地图”，不一定是身体的真实情况。我们的近体空间建立在我们的 身 体加工具 之上 。这种近体空间甚至可以包含电脑中的虚拟世界。

例如， 手持工具 时，我们的身体感知能够扩展到工具的末端， 就好像工具是我们身体的一部分 。另一个形象的例子是“车感”，是人们在驾驶中建立的对人车运动的整体感，人们的感知从个体拓展到了车的各个顶点和轮廓。

脑机接口也是在建立患者的一种“接口感” 。根据大脑能够被塑造的特点，让大脑“适应”设备，进而视其为自我的一部分。

伦敦大学的实验进一步验证了这种现象：当参与者使用通过脚控的机械手指作为“第六根手指”来完成任务时，大脑逐渐适应了 机械手指 的存在，将其视为自己身体正常的延伸。受试者可以轻松协调单手的五根手指与脚控的第六根手指，完成边做数学题边搭积木、蒙眼做出各种手势等多种不同的动作。

参与者可使用通过脚控的机械手指作为“第六根手指” ，图片来源：伦敦大学实验的机械手指试验

后来，脑影像学结果显示，训练之后，受试者大脑中每个手指对应的大脑活动模式更加相似，脚趾与手指的运动信号也变得更加相似。这种变化带来的重塑在训练结束7~10天后仍然存在。 这种大脑活动模式的适应性变化 ，为脑机接口设备被人类“接受”为身体的一部分提供了科学依据。

人的大脑把近体空间拓展的工具当作身体的一部分去适应。类似地， 能够帮助人类拓展近体空间的理想脑机接口也最终会被人体适应 。

/ 05 / 脑机接口的发展脉络：从科幻走向现实，从科研到技术，再到临床

一、启蒙时期（1980年前）

脑机接口的历史最早可以追溯到脑电的发现。

1924年 ，德国精神病学家汉斯·贝尔格在一名17岁男孩的头部疤痕附近记录到电流计镜面的微小振动。这是人类历史上第一次记录到人脑的电活动。

这种人脑产生的电信号，即我们今天熟知的 EEG（脑电图） 信号，是大脑皮层神经元电活动的一种刻画。

汉斯·贝尔格进一步发现，在不同的大脑状态下，脑电图会呈现不同的特征。例如，当人处于清醒、放松的状态时，大脑会出现频率为8～13赫兹的α波，而在逻辑思维活动时，大脑则会出现频率为13～30赫兹的β波。

1965年 ，美国作曲家阿尔文·卢西尔通过捕捉自己α波的节律信号，成功控制打击乐器的节奏，完成了一场独特的表演。这是人类第一次通过脑电信号实现与外界设备的直接交互，可以说是最早的脑机接口实例。

脑电的发现，以及神经电生理的研究，为脑机接口的出现奠定了关键的基础。此外，在1950—1970年，集成电路的出现、数字计算机的发明及由计算机完成的信号处理，提供了深入分析连续变化的脑电信号的技术手段。

当这些元素在1970年前后“凑齐”时，脑机接口的概念应运而生。 1973年 ，加州大学洛杉矶分校的雅克·维达尔教授 首次提出了脑机接口的概念 ，开始探讨如何通过 脑电信号实现脑与计算机的直接通信 。

总的来说，脑电信号的发现与解读奠定了脑机接口的主要发展方向。虽然功能磁共振成像、脑磁图、功能脑近红外等手段同样能够记录大脑的活动，甚至进行某些解码， 但 脑电信号 依然是脑机接口的 主 要大脑信息源 。

二、探索时期（1980—2000年）

1、非侵入式脑机接口研究阶段

从20世纪80年代到2000年 ，人们对于脑机接口研究进入了深入 探索阶段 。一方面，科学家们借助最早通过非侵入式的EEG信号研究，开始了脑机接口的初步尝试，并在基于视觉诱发电位和手部运动想象信号的脑机接口上取得了进展。

视觉诱发电位 是通过记录大脑对特定频率视觉刺激的反应来进行的实验方法。当受试者看到屏幕上以特定频率闪烁的图标时，即使该频率超过肉眼可辨识的范围，大脑仍能有效地“捕捉”到这些信号的频率并呈现在脑电图当中。通过设计特定的视觉输入频率，可以间接控制外部设备，如通过软键盘打字。

手部运动想象 是通过对手部特定手势的运动想象来控制外部设备。之所以选择手，是因为与手部运动想象关联的大脑皮层，在运动和感觉皮层中所占面积很大；对于手的运动想象，便于脑电图记录到明显的特征信号。

值得关注的是， 清华大学高小榕教授在2002年研发出基于视觉诱发电位的脑机接口 ，受试者可以通过看屏幕上的数字拨打传呼机，在当时世界范围内是十分领先的。

这种基于 非侵入式脑机接口技术 实现的拼写控制、轮椅控制、简单通信的 研究范式 也一直保留到了今天。

然而，EEG信号也存在一定的局限性。由于EEG只能记录头皮表面的横向电位差，无法捕捉大脑皮层深处的垂直电活动，而垂直方向的电流通常承载着较为丰富的认知和运动信息， 因此EEG信号的表达信息较为有限 。此外，更重要的是，EEG无法直接与个体的自由意志进行简单对应，一般需要依赖外部刺激引发皮层响应、寻找特征EEG信号而间接控制外部设备，这大大 限制了其应用范围 。

因此，同一时期，科学家也在开发 侵入大 脑内部的脑机接口电极 。

2、侵入式脑机接口研究阶段

最早的一类侵入式脑机接口是美国佐治亚理工学院的菲尔·肯尼迪发明的 神经营养电极 ，用于记录电极变化。他巧妙地将坐骨神经等外周神经片段放入电极，实验证明在植入大脑后，能被周围神经元接纳而减弱免疫排斥反应。此外，神经营养电极使用玻璃漏斗，在电极和长进来的神经轴突周围形成绝缘隔离，起到了放大细胞外动作电位的效果。

1998年 ，科学家开展了最早的 侵入式运动脑机接口临床试验 。两根神经营养电极被植入患者主运动皮层，患者通过手部运动想象实现了脑控光标移动和打字。电极植入6个月后，患者仍能保持较高的打字速率和准确率。

神经营养电极植入的位置有限 ，为了获取大脑皮层更多的神经活动信号， 密歇根电极和犹他电极 在这一时期应运而生。 密歇根电极 通过微纳加工工艺，在硅片上制作出一维和二维电极， 能够在更大范围内采集神经信号 。微纳加工工艺解决了传统手工组装电极尺寸不一致、相对位置变化等问题，使得试验的重复性大大提升。

犹他电极 是另一种基于微纳加工工艺的侵入式脑机接口电极。相比密歇根电极，犹他电极的独特结构和材料改进使其电学性能和机械结构更加稳定。21世纪初，犹他电极先于密歇根电极取得了FDA的临床试验许可，成为脑机接口电极的临床标准之一。

三、快速发展期（2000年至今）

进入21世纪以来，随着犹他电极获得美国FDA的临床试验许可， 侵入式脑机接口的临床研究显著加速 。

2002年 ，布朗大学的约翰·多诺霍教授开发了一种脑机接口装置，帮助一名中风患者通过意念控制机械臂，成功拿起水杯。

侵入式脑机接口在 语 言恢复 方面也取得了显著的进展。 2021年 ，斯坦福大学的里希纳・谢诺伊教授团队通过在一名手臂瘫痪患者的大脑运动皮层植入犹他电极，采集患者手写字母的意图信号并转化为文字。通过复杂的神经网络算法，患者实现了每分钟90个字母的书写速度，并且准确率超过90%。

然而，伴随着犹他电极在临床上的初步功能性验证，研究人员发现，犹他电极长期的电极植入会导致严重的免疫排斥，使电极逐渐失去记录电信号的能力，同时潜在影响大脑的健康。一个出人意料的试验证据是，当犹他电极植入猫的大脑皮层后，随着时间的推移，电极被覆盖上了厚实紧密的结疤组织，甚至硬质的电极尖端出现了被脑组织“掰弯”的情况。

同时，侵入式电极面临的另一个问题是， 大脑会随心脏搏动产生节律性的搏动 ，造成传统硬质电极无法稳定在特定神经元周围，不断产生的位移 影响记录的稳定性 。

侵入式电极的免疫排斥反应和位置的不确定性，促使研究人员开发新的电极材料与设计。迄今为止，研究人员一共积累了三种路径， 包括柔性电极、半侵入式电极及介入式电极 。

如前所述，半侵入式电极和介入式电极 显著降低了免疫排斥，但在精确度及记录的电信号信息量方面弱于侵入式电极。

柔性电极 需要侵入大脑，采用微小的网状或线状结构，具备较高的韧性但材质甚至比神经元更加柔软。理论上，柔性电极可以匹配神经元尺寸并附绕在其表面，因而能够获得高质量的神经元电活动信号，同时能够降低对于大脑的物理损伤。另一方面，脑机接口柔性电极的开发已超过10年，材料、电极加工工艺、电极的手术植入方案等不同方向仍在被科研和产业广泛探索。柔性电极的免疫排异和长期人体植入安全性仍然有待长期的验证。

/ 06 / 突破与平衡：对脑机接口商业化的思考

时至今日，脑机接口公司开始进入商业化阶段。比如， 在柔性电极领域 ，马斯克参与创办的Neuralink公司推出了采用微丝电极的脑机接口，其已经获得FDA的临床试验许可。

可以说，脑机接口作为一项跨越神经科学、计算机科学和工程学的前沿技术，展现出极大的潜力，然而其商业化道路需要在 获益、风险、使用便利性及市场可及性 等多方面取得突破和平衡。

侵入式和非侵入式脑机接口所面对的商业化难点有所不同。

安全性是侵入式脑机接口 最主要的挑战，包括开颅手术带来的创伤、电极材料引起的免疫排异反应，以及大脑长期植入物的潜在风险。这些安全性问题不仅影响患者和临床医师的接受度，也使得脑机接口在申请审批时面临挑战。

非侵入式设备 安全性高，但目前多数设备舒适性不足，限制人们的日常使用。因此，实现设备的轻量、便携和长期佩戴的舒适性是非侵入式脑机接口的重要发展方向。

脑机接口的 差异化技术路线和应用场景的精准匹配 是商业化的关键。

侵入式脑机接口 主要针对一些 难治性疾病或绝症患者 ，例如药物难治性癫痫、渐冻症、全身瘫痪等。由于疾病的严重性， 患者对手术风险的接受度较高 ，因而构成侵入式脑机接口的潜在市场，主要的应用方向是恢复或替代患者的运动功能，包括脑控光标移动、脑控外骨骼运动、脑控语言通信等。然而， 这类患者群体基数较小，导致商业化空间有限 。

而面向 精神疾病干预、情绪调控、学习和记忆力改善 等场景往往有较大的使用人群，但他们对于手术风险的接受程度相对较低。因此，从长期看， 非侵入式脑机接口更适配这些应用场景 。

在 视觉重建 方面，患者人数较多，相比失明造成的生活质量下降，患者大概率能够接受脑机接口植入手术的风险。因此，视觉重建可能会成为 半侵入式和侵入式脑机接口 有潜力的商业化应用方向。

从脑机接口的发展路径看，脑机接口的 商业化需要多种技术手段 。

非侵入式、半侵入式、介入式脑机接口的 临床开发进度 领先于侵入式脑机接口，但其 功能迭代 将越来越依赖侵入式脑机接口记录的 “原位”脑电数据 。具体来看，针对难治性癫痫、帕金森病等脑疾病的侵入式治疗器械，以及正在逐步进入临床的针对渐冻症、全身瘫痪等重疾的侵入式脑机接口，将在中长期为完成复杂任务的非侵入式、半侵入式脑机接口的开发提供数据基础， 从而形成技术递进式的商业化路径 。

/ 07 / 未来可以想象的脑机接口会有哪些？

未来的脑机接口应用前景广阔，从视觉到情绪，再到记忆，脑机接口技术未来不仅限于运动和语言功能的恢复，更将全面提升人类的生活质量和认知能力。

一、脑脊接口

脑脊接口，又称“神经电子桥”。脑脊接口的目标是通过大脑提取运动控制信号，将电刺激施加于脊髓受损位置的下方，恢复病人的肢体功能。

脑脊接口实现的一个关键假设是，人对下肢运动模式的控制是由腰椎内的神经回路完成的，人的大脑和小脑只是发出运动的起始、终止及调控信号。比如，走路的起始、终止、距离、速度等由大小脑决定，而走路的连续运动姿态的控制算法“存放”在腰椎里。因此，脑脊接口的核心在于理解大小脑的意图，并激活腰椎相应的运动模式，也就是建立“ 大脑运动意图→脊髓背面的电刺激序列模式→脊髓内部运动神经元目标电活动模式序列 ”的关联。

2021年，科学家通过脑脊接口帮助一只瘫痪的猴子重新行走。通过持续的研究和改进，脑脊接口技术有望成为脊髓损伤患者恢复运动功能的重要手段。

二、半侵入式语言脑机接口

语言脑机接口是专为无法说话的瘫痪患者设计的交流工具。脑干中风、创伤性脑损伤、渐冻症等疾病可能会损害患者的运动神经，让他们丧失口语表达的能力。尽管这些患者意识清晰，思维正常，却无法进行语言或肢体沟通。半侵入式语言脑机接口通过在患者大脑皮层上安装电极阵列，捕捉患者的意图信号并将其转化为文字或语音，帮助他们重新表达需求。

三、提升感官认知能力脑机接口

视觉脑机接口 ：目前已有3种视网膜假体获得FDA批准，能够帮助视力受损者部分恢复视觉，不过因为在眼部进行手术和刺激难度大，产品均已停售。直接在视觉皮层植入脑机接口，帮助后天失明的患者重新获得视觉体验，可能是唯一可行的方案，核心难点在于对明暗、方位、颜色、运动、深度等视觉基本信息的组合，以及如何写入人的大脑。

情绪调控的脑机接口 ：通过检测和调控脑内的神经递质水平，来干预患者的精神和情绪状态，这在严重精神疾病治疗上具有重大意义。

自体感觉脑机接口 ： 为人造肢体提供真实的触觉反馈，让使用者更好地掌控假肢。

记忆力脑机接口 ： 通过增强或调节多个脑区的同步活动来增强长期记忆力。

/ 08 / 脑机接口怎么投？

总体而言，脑机接口的 市场想象空间广阔 。无论是非侵入式还是侵入式、半侵入式、介入式脑机接口，在不同的行业发展阶段，都具有适合的应用场景。 通过临床验证 是脑机接口走向商业化的首个里程碑，而临床落地的场景需要权衡患者的风险和获益，进而关注患者的使用便利性。

一、非侵入式脑机接口在商业端有了诸多尝试

非侵入式的脑机接口 这个方向，因为其安全性风险较小，在科研、临床和商业端已有了诸多尝试。

在读脑这一侧，受限于信号的分辨率，基于脑电信号的产品研发的边际有效性将会递减，因而在科研和临床端，融合脑结构、脑血氧、脑磁等不同信号的 多模态脑成像 正成为研究的热点。

而在商业端，产品使用便利性的提升和偏消费侧应用的推广将尤其受到企业关注。

在写脑这一侧，经颅电刺激、经颅磁刺激、时间干涉电刺激、经颅超声刺激等，提供了在介观至宏观尺度，通过调控脑活动来理解脑功能的新思路。基于 脑影像学的个性化、闭环神经调控 可能是下一个发展方向。 无创神经调控 也将为侵入式脑机接口应用的开发提供更多“临床前支撑”。

二、半侵入式、介入式脑机接口逐步来到产品化和商业化的拐点

在面向失能、失语瘫痪患者的医疗场景中，采用 半侵入式、介入式 的技术手段，开发脑控电脑交互、语言通信的脑机接口等，以及运动康复的脑脊接口，已经有了可预期落地的全链条方案。这一类医用脑机接口预期能够平衡采集微观至介观尺度脑信号的诉求和临床的可接受程度，已经逐步来到 产品化和商业化的拐点 。

三、侵入式脑机接口仍处于行业早期阶段

侵入式脑机接口 的开发是一个需要持续研发和长期验证的过程，目前仍然处于行业早期阶段。 微电极或微电极阵列 是当前侵入式脑机接口开发的核心。微电极将提供唯一临床可用的、覆盖微观（单一神经元）到介观（预期百万神经元量级）尺度的观测手段。电极的开发，以及相应脑电解码算法和电刺激模式的创新，必然会推动临床的进展。

侵入式脑机接口开发的重心 将逐渐从电极转向应用 。一方面，侵入式电极中，柔性材料的免疫排斥反应和人体长期使用（比如FDA要求不可拆卸的侵入式医疗器械在体内至少安全存留10年）仍待长周期验证，在这一阶段主要的价值增长将向应用侧转移。另一方面，运动系统外应用的开发，比如感觉修复、情绪调控、高级认知等方向，存在较高的脑科学和算法的专业壁垒，面向临床可能是更大的价值所在。

所以，我们认为不论是临床接受程度还是商业化价值的角度，非侵入式、半侵入式和介入式脑机接口的进展 短期 将领先于侵入式脑机接口，而随着“原位”更精确的脑电数据的价值逐步凸显和临床风险的逐步释放，侵入式脑机接口将成为行业 中期 必不可少的技术路线； 长期看 ，侵入式脑机接口也将推动完成更复杂任务的半侵入式甚至非侵入式脑机接口的开发。前半程的价值增长在于 人体脑数据的积累 ，后半程的核心价值在于 应用的规模 。

脑机接口 已经不是科幻，也不是概念，它成为 一个可感可投的领域 。面向脑机接口的投资决策，一个思路是综合考虑差异化技术路线的成熟度、落地场景的风险与获益、应用的商业价值潜力等；另一个思路是以终为始地思考，在路径上面寻找关键节点，关注垂直领域的价值增长。

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本文来自微信公众号“峰瑞资本”（ID：freesvc），作者：谢达，36氪经授权发布。