作者簡介
周潔?中國信息通信研究院知識產權與創新發展中心高級工程師，主要從事腦機接口、工業互聯網、區塊鏈技術等方面的研究工作。
引言
腦機接口（Brain-Computer ? Interface，BCI）是一種變革性技術，作用機制是繞過外周神經和肌肉，直接在大腦與外部設備之間建立全新的通信與控制通道，實現信息的傳輸和控制，從而以顛覆性的技術手段實現人體功能的輔助、增強和修復。BCI技術面向世界科技前沿，為人機交互技術帶來重大革新，是未來產業發展方向。
1. ?BCI技術發展趨勢
“腦機接口”這一術語雖然廣泛使用，但BCI技術的分類尚未在全球達成一致和形成共識。2025年1月，Robinson等從應用角度將BCI技術分為通信和運動類技術以及治療類技術。通信和運動類BCI是用于實現大腦和數字或物理設備之間傳輸信息以控制或接收信息技術；治療類BCI主要指用于改變大腦活動以緩解疾病癥狀或恢復、改善大腦功能的技術，包括深部腦刺激器等傳統神經調節技術，但不包括傳統的“開環”神經調節技術。隨著BCI應用范圍的不斷擴大，經顱電刺激（Transcranial ?Electrical Stimulation，TES）、經顱磁刺激（Transcranial Magnetic ?Stimulation，TMS）、神經反饋等神經調控技術被作為輔助技術與腦感知技術聯合使用，共同構成BCI系統，以增強信號采集效果及提高治療效果，從而使BCI更加穩定可靠，并能實時反饋。近年來，還涌現出基于超聲的神經調控技術和腦感知技術。因此，將腦感知和神經調控的聯合技術納入治療類BCI，不僅是技術集成的需求，更是雙向閉環系統的技術發展趨勢，滿足臨床神經調控的精準醫學需求，符合應用場景擴展趨勢。本文基于Robinson等的方法方式，從通信和運動類BCI及治療型BCI兩方面進行分析。
1.1 ?通信和運動類 BCI 技術的創新進展
通信和運動類 BCI 技術常以有創或無創電極進行腦信號采集和記錄，在解碼和分析基礎上，揭示腦狀態，以進行疾病預警和診斷，通常用在疲勞檢測等方面。根據電極類型，通信和運動類 BCI 技術可分為無創技術和有創技術。
1.1.1 ?無創技術：
在無創技術領域，BCI 創新進展主要圍繞核心器件研制、算法解碼和應用展開。
以無創電極為代表的核心器件研制趨勢體現在兩方面。一方面，無創電極的通道和面積更大。中山大學 ?Liu等開發了單個貼片上包含 32 ?個獨立通道的微針干電極貼片，能夠穿透皮膚角質層而不接觸更深組織，降低了電極-皮膚接觸阻抗，比傳統扁平干電極陣列信號質量更好，時空分辨率更高，信號精度達到了單個微針的水平。另一方面，無創電極的舒適性更高。德國伊爾梅瑞技術大學 ? Warsito等開發出一種干電極，由多個花狀排列的傾斜針腳組成，改善了坐姿和仰臥姿勢下的佩戴舒適度，易用性更好，利用長期處于仰臥位的人群應用。
算法解碼趨勢體現在 ?3 ?方面。一是無創信號的解碼能力顯著提升。Schreiner等使用新型超高密度腦電圖（Electroencephalogram，EEG）系統（ultra-High-Density ?EEG system，uHD EEG）和體感誘發電位（Somatosensory Evoked ?Potentials，SSEP）繪制大腦中央溝圖，通過單個 EEG 通道區分出大腦中央溝前部或后部，準確率達到 ?95.2%，解析出的大腦功能也生理特征與手術植入電極達到水平接近。二是意圖識別和運動控制更加精準。Sharma等提出，基于深度時間網絡的模型能準確識別運動想象腦電信號，在二分類和多分類數據集上的分類準確率達到 ?99.7%和 ?84%。三是算法模型更加具有可解釋性。針對深度學習模型的可解釋性較差等問題，Ravindran等使用模擬方法生成混合不同比例噪聲的腦電信號，能驗證出不同模型解釋方法在時間精度、頻率干擾和空間定位的穩定性。
在技術應用方面，腦機接口技術的應用呈現多元擴展趨勢，如中風步態預測、癲癇預測、視聽寬評估等應用。在中風步態預測方面，有學者利用腦電解碼與各種功能相關的神經模式，預測中風患者的平衡模式和步態模式。癲癇預測方面，意大利天主教大學醫學院 ? Caricato等在重癥監護病房針對意識障礙患者，用凝膠腦電帽檢測非核原性癲癇的發生，顯著降低了對神經生理專家在場的需求。在視聽寬評估方面，美國國家眼科研究所聯合北京大學研究人員研發了頭戴式虛擬現實護目鏡，利用光刺激患者視野中的目標，同時測量大腦腦電活動以及觀察并測視力喪失情況，無需患者進行主觀輸入。
1.1.2 ?有創技術：
在有創技術領域，BCI 創新圍繞核心器件研制、算法解碼和應用展開。
以有創電極為代表的核心器件在工藝、材料、造型方面不斷革新，使得電極更加輕柔且集成度更高。一是更微觀化。Zhou等以垂直推移方法將柔性探頭與 ?Intan 放大器芯片直接配對到印刷電路板上，探頭面積和重量分別減少了 50% 和 ?75%以上。二是更低成本。Lee等利用MEMS工藝和成熟的顯示屏用玻璃晶圓生產微型立體定向放置（micro-Stereo-EEG，μSEEG）電極，抗撕裂能力強，引起組織損傷小，成本明顯低于臨床 ?SEEG 電極。三是更小創傷。Bae等研制出帳篷類電極，電極被注射器以微創方式送入大腦后，面積擴大到初始尺寸的 200 ?倍，電極可生物降解，能量大限度減少手術影響，電極能夠密切結合大腦。
解碼分析大腦機理的技術研究和臨床試驗正在開展。首先，提升了信號可解釋性。如 ? Chen等提出基于深度學習的新型神經語言解碼框架，將皮質電圖（Electrocorticographic，ECOG）信號轉換為可解釋的語言參數，解決語言神經信號稀缺、數據復雜且維度高的問題，在 ?48 名參與者中具有高度可重復性。其次，提高了解碼還原度。Angrick等利用循環神經網絡識別和解碼漸近患者的 ECoG ?信號，能捕捉自然語言的節奏等細節特征。最后，加快了解碼速度。Fukuma等提出了對應于 Grassmann ?核的映射函數，將動態模式（Dynamic Mode，DM）轉換為空間 DM（spatial DM，sDM）特征，提高了解碼準確性。
在技術應用方面，全球普遍利用有創電極對知覺障礙和運動障礙患者開展臨床試驗，將電極植入患者大腦的運動或認知區域，以驗證患者對數字世界和物理世界的操控能力和交流能力。1998—2023年期間，全球有21個研究團隊（包括加利福尼亞大學舊金山分校、澳大利亞醫院研究所、馬薩諸塞州總醫院、浙江大學等）利用4類有機電極對67名患者進行了28起臨床試驗，驗證各種技術的安全性、可靠性和有效性試驗。目前已能實現較低錯誤率的語音解碼，以及高效直觀的人機交互控制。
1.2 ?治療類BCI技術創新進展
1.2.1 無創技術
TES, ? TMS技術、神經反饋技術等相關安全、無創、無痛、產品已成熟運用多年，目前正與EEG、腦磁圖、功能近紅外腦成像等腦感知技術結合，以在更精準的腦狀態識別基礎上，實現神經和精神疾病的精準治療。世界各地的醫院、企業、科研高校等開展了大量臨床試驗研究，以提升療效和拓寬適用范圍。
無創治療類BCI技術的臨床試驗趨勢體現在3方面。一是提升治療成效。2025年，Gyoda等的一項研究證實，在改善失語癥患者的語言障礙方面，EEG引導下的經典直流電刺激（transcranial ?Direct Current ?Stimulation，tDCS）可能比傳統tDCS方法更有效。二是促進患者個性化方案定制。Wang等基于EEG研究中患者的大腦皮質連接特征和TES后的運動增益，使得本患者的治療方案更具可解釋性。三是實現更精準調控。復旦大學將成熟的TMS技術結合到可穿戴腦磁圖上，通過實時采集運動區8通道腦電信號分析受試者腦功能狀態，即時匹配多種TMS磁療方案，并根據實時數據反饋更新磁療方案，取得了滿意的康復效果。
尤其值得一提的是神經反饋技術。此技術在大腦具有神經可塑性背景下，對與特定功能相關的腦神經活動進行測量，并將測量結果以視覺、聽覺乃至嗅覺等方式實時反饋給受訓練者，通過一定的訓練手段幫助受訓練者實現腦神經活動自主調節和改善。目前全球多起臨床試驗探索了該技術的開發。例如，用視覺神經反饋設備認知障礙。阿拉巴馬大學伯明翰分校對退伍軍人進行基于EEG的視覺注意力神經反饋訓練，僅10h后大腦皮層活動明顯改善，視覺細節感知能力提高，輕度腦外傷軍人的早期認知障礙得到改善。泰國佛統瑪希隆大學給健康受試者聆聽10min的6Hz雙耳節拍，受試者四周后注意力有所提高。其次，嗅覺神經反饋有望改善難治性抑郁癥。2024年，法國某醫院開啟了以嗅覺刺激方式改善大腦狀態的臨床試驗，研究難治性抑郁癥患者在接受TMS刺激的同時，受到個人氣味的嗅覺刺激能否顯著提升治療效果。
1.2.2 有創技術
有創治療類技術是通過植入性電刺激裝置對腦、脊髓產生作用，從而達到治療目的，深部腦起搏器（Deep ?Brain ?Stimulation，DBS）、人工耳蝸是最為典型的代表性技術，相關產品已成為成熟和廣泛應用。近年來，該領域的創新發展一方面體現在產品和配套工具不斷優化、走向閉環上，另一方面體現在向更多適用癥進軍上，目前業界正用DBS面向多種疾病開展大量臨床研究。
2. ?BCI產業發展趨勢
2.1 ?政策支持
近年來，全球各地相繼啟動腦計劃規劃和科研立項，為BCI指引發展方向和重點。縱觀各國及地區腦計劃，項目具有“重點突出，方向多元”特點，主要覆蓋基礎科研、核心器件、軟件開發、整機設備、診治應用等。據中國信息通信研究院統計，從項目資助側重點看，美歐重金資助的項目主要側重有創技術。
美國2013年發布腦計劃，由美國國立衛生研究院主導，其他聯邦機構參與。美國腦計劃的研究方向包括大腦結構原理、神經記錄和調控、神經影像技術、用于腦細胞和電路的工具、神經倫理學等。截至2023年，美國國立衛生研究院官網顯示，美國腦計劃項目投入資金總額已超30億美元，是全球在BCI領域投入較早、勞動力較高的國家，由此使其BCI領域創新進展較為突出。例如，2024年美國腦計劃繪制完成了果蠅大腦神經連接圖譜。
歐盟的BCI項目研究范圍十分廣泛，包括自適應技術、植入式神經調控技術，也包括新電板材料研發（如石墨烯晶體管）等。
日本的研究一部分延續了上一階段腦計劃中對于猿猴大腦的研究成果，從靈長類動物中汲取靈感探索神經機制；另一部分與機器學習等人工智能算法結合，用于疾病診斷或治療手段優化；自適應BCI和神經調控技術也是研發重點。
英國腦計劃項目主要由美國研究與創新機構管理，依托“Horizon地平線”框架計劃在人工耳蝸、腦磁圖技術改進、神經修復等方面開展研究。
我國在2016年將“腦科學與類腦研究”列為“國家重大科技創新和工程項目”，標志“中國腦計劃”全面展開。2021年，國家“十四五”規劃綱要將腦科學列為重要研究方向，2023—2024年期間，工業和信息化部等發布《新產業標準化領域工程實施方案（2023—2035年）》，成立腦機接口標準化技術委員會，并發布《工業和信息化部辦公廳關于組織開展2023年末來產業創新任務揭榜掛帥工作的通知》，篩選提拔一批具備較強創新的BCI優勢單位，推動技術和標準同步開展，產業生態進入加速發展期。
北京、上海、天津等地政府也成為BCI密集釋放重要信號，將BCI納入未來產業發展方面。例如，北京市和上海市政府接連出臺腦機接口專項政策，如《加快北京市腦機接口產業發展行動方案（2025—2030年）》（上海市腦機接口未來產業培育行動方案（2025-2030年）），明確提出更加快發展BCI。
2.2 ?投融資情況
據本文統計，全球BCI行業的投融資活動在2020年進入活躍期，截至2025年2月，全球BCI領域投融資事件超過1000起，總金額接近100億美元。其中，美國相關事件超過700起，總金額超過50億美元；中國相關事件超過200起，總金額接近20億美元。2024年，在經濟下行壓力增大的背景下，仍有部分企業獲得了高額融資，如Precision ? Neuroscience公司在2024年獲得1.02億美元C輪融資，成為BCI行業資金最充足的公司之一。2025年2月，上海階梯醫療科技有限公司獲得3.5億元B輪融資，是中國植入式BCI行業較大一筆融資。
2.3 ?BCI產業發展
3. 結束語
全球對BCI的戰略重要性認知逐漸趨于一致，政策扶持和監管力度不斷加強，由此促進科研創新和產業落地日趨加速，帶來創新投入的持續與加大，促進產業生態不斷集聚和繁榮，預計未來3~5年內，在創新活躍地區將誕生一批BCI產業集聚區，優秀標桿企業和典型示范案例也將不斷涌現，多要素的聚集和持續優化也將推動BCI產業加速發展。
就技術發展趨勢看，在核心器件和整機系統方面，有創技術有望實現較大突破，向高精度、微創化與閉環交互演進，伴隨新型材料應用，出現更具切身和穩定性的柔性基底設計。在算法解碼方面，BCI與多模態技術及人工智能技術的趨勢日益明顯，有望提升信號信噪比，提高大腦圖像的準確率。在技術應用方面，通信和運動類BCI技術的安全性和有效性隨應用場景拓寬、臨床研究增多而得到多角度驗證，從而增強了需求側的應用信心，以及在擴大范圍的應用中得以不斷迭代更新，實現更佳性能。治療類BCI技術在與神經反饋等多種神經調控技術深度融合基礎上，有望促進療效顯著提升，并在成熟、抑郁癥、自閉癥、強迫癥等難治型疾病中展現出巨大的技術價值。
從產業發展趨勢看，我國政策驅動下的全鏈條協同創新將成為常態，以政府為主導的生態構建模式由頭已經顯現，日后密集出臺的政策、加速布局的資本市場，有望在經濟與科技發達的區域率先培育出多家獨角獸企業，行業領軍企業的垂直整合能力更加強大。隨著技術和產業化落地縱深深入，應用場景將深度滲透醫療康復領域，廣泛應用到多類疾病診治，同時從醫療康復場景向泛化場景延伸，隨下游企業的商業化落地，有望擴大全球市場規模，未來，BCI有望實現“實驗室黑科技”到“民生剛需”的蛻變，重塑醫療、教育、工業等領域的發展式。
論文鏈接：
https://10.0.47.235/j.issn.2096-5931.2025.03.007
