爭奪下一個千億美元市場：風(fēng)口之下，腦機(jī)接口真正的投資機(jī)會在哪？

2014年巴西世界杯開幕式上，在全球超10億觀眾的見證下，一名身穿鋼鐵俠式緊身衣的截癱青年借助一副“機(jī)械戰(zhàn)甲”外骨骼裝置，用腦電波控制自己的“腳”踢出了第一球。

這一瞬間令人驚嘆，又令人充滿感動。

這一創(chuàng)舉性的一幕，于科學(xué)技術(shù)界而言也具有劃時代的意義。這是科技史上首個實現(xiàn)機(jī)械外骨骼裝置受癱瘓患者大腦活動控制的案例，人腦與機(jī)器之間的交互迎來了歷史性突破。

近年來，伴隨神經(jīng)科學(xué)與相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，人機(jī)交互的模式也在不斷演進(jìn)與變化。作為神經(jīng)科學(xué)最前沿的領(lǐng)域，腦機(jī)接口成為了當(dāng)下最新一代的人機(jī)交互方式，得到了世界各國的充分重視與布局支持。

腦機(jī)接口，全稱為brain-computer interfaces。簡單來講，就是將人腦與外界（計算機(jī)或其他外部裝置）實現(xiàn)連接，進(jìn)行直接通信。經(jīng)過過去的研究和探索，如今的腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)走過了最初的科學(xué)幻想，逐漸進(jìn)入了技術(shù)爆發(fā)階段，備受行業(yè)人士與資本市場的關(guān)注。

那么，腦機(jī)接口究竟是一項什么樣的技術(shù)？市場現(xiàn)狀如何？又有哪些實現(xiàn)場景與投資機(jī)會？近日，華興資本出品了腦機(jī)接口行業(yè)研究分析報告。華興新經(jīng)濟(jì)基金醫(yī)療科技團(tuán)隊通過對腦機(jī)接口的基本概念以及腦機(jī)接口的實現(xiàn)與臨床應(yīng)用進(jìn)行分析，并對其市場規(guī)模、產(chǎn)業(yè)鏈以及投資邏輯進(jìn)行了深入的探討，匯總成本篇文章，期望能帶給大家一些啟發(fā)與收獲。

1、腦機(jī)接口的定義及發(fā)展趨勢

腦機(jī)接口（ Brain Computer Interface, BCI）：不依賴大腦的正常輸出通路（即外圍神經(jīng)和肌肉組織）就可以實現(xiàn)人腦與外界（計算機(jī)或其他外部裝置）直接通信的系統(tǒng)。

發(fā)展趨勢：逐漸從簡單的單向腦機(jī)接口（產(chǎn)生、獲取解析腦信號）到人機(jī)交互，最后達(dá)到人機(jī)共融、協(xié)同決策的高智能狀態(tài)。

腦機(jī)接口系統(tǒng)由七大部分組成：大腦、腦信號采集、腦信號預(yù)處理、信號解析、控制接口、外部控制設(shè)備和神經(jīng)反饋，形成了一個閉環(huán)。

外部設(shè)備可以是不同型號的計算機(jī)或各類器械設(shè)備，如日常的筆記本電腦，用于治療用途的腦起搏器，或是輪椅、假肢等外部控制設(shè)備。

資料來源：華興資本分析

2、腦機(jī)接口的發(fā)展歷史

腦機(jī)接口的學(xué)術(shù)論證和應(yīng)用實踐已有數(shù)十年的歷史，而人類對腦電的學(xué)術(shù)探索還要更早。

1924年，德國精神醫(yī)學(xué)家貝格爾發(fā)現(xiàn)腦電波，開啟人類對腦電的數(shù)字化記錄。

1970年，腦機(jī)接口的第一篇論文出現(xiàn)，美國國防高級研究計劃局也開始涉足腦機(jī)接口領(lǐng)域。

2004年，腦機(jī)接口從科學(xué)論證階段跨越到了應(yīng)用實驗階段，代表事件是元老級BCI企業(yè)BrainGate實現(xiàn)了用侵入式腦機(jī)接口治療癱瘓患者，而這位癱瘓患者于2014年借助腦機(jī)接口與外骨骼在巴西世界杯完成開球。

近幾年，國內(nèi)外均有腦機(jī)接口初創(chuàng)公司帶著他們的概念產(chǎn)品亮相，其中最具代表性的是馬斯克創(chuàng)立的Neuralink。隨著神經(jīng)科學(xué)與相關(guān)技術(shù)的不斷突破，腦機(jī)接口技術(shù)開始進(jìn)入快速發(fā)展的階段。

3、腦機(jī)接口的意義

作為一項顛覆性的技術(shù)，腦機(jī)接口在醫(yī)療領(lǐng)域的疾病治療、功能恢復(fù)上展現(xiàn)出巨大的價值。

首先，全球范圍內(nèi)腦疾病患者群體規(guī)模龐大，未能滿足的臨床需求持續(xù)存在；

其次，腦部疾病的****物研發(fā)難度很大，很多神經(jīng)、精神疾病的致病機(jī)理至今都沒能摸清，臨床試驗設(shè)計的難度也很高，且神經(jīng)類****物也常常伴隨著較明顯的副作用。

資料來源：BIO、QLS Advisors、Biomedtracker

如圖所示，腦部疾病相關(guān)****物從臨床試驗最終走向上市的概率僅5.9%，在所有疾病****物中的研發(fā)成功率最低，并且近年來批準(zhǔn)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病****物的數(shù)量也維持在個位數(shù)。

因此，腦機(jī)接口作為創(chuàng)新療法的有力候選，有望打破僵局，突破治療手段和****物研發(fā)的限制，來治愈腦疾病和恢復(fù)受損的腦功能。

4、各國政府給予腦科學(xué)研究充分重視

面對臨床端的未滿足需求，各國政府開始給予腦科學(xué)研究充分重視，紛紛推出國家層面的重磅規(guī)劃。中國腦計劃的重點是腦科學(xué)與類腦科學(xué)研究。

腦科學(xué)研究關(guān)注腦認(rèn)知功能的神經(jīng)基礎(chǔ)，旨在探索大腦的秘密；類腦研究是借助對大腦的理解去發(fā)展新一代人工智能技術(shù)。

在這些領(lǐng)域中的研究和成果轉(zhuǎn)化將受到很高的關(guān)注度。但我們需要清醒的認(rèn)識到，在腦科學(xué)和腦機(jī)領(lǐng)域中的多項核心技術(shù)還未完全實現(xiàn)自主可控，比如，國內(nèi)腦電信號采集設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口，腦機(jī)芯片、電極等腦機(jī)核心組件也亟需發(fā)展國產(chǎn)產(chǎn)品。

尤其是在2021年10月美國商務(wù)部將腦機(jī)接口技術(shù)納入出口管制項目的背景下，腦機(jī)技術(shù)全面自主可控也將成為一項我們長期、艱巨但必須完成的任務(wù)。

資料來源：華興資本分析

本質(zhì)上，腦機(jī)接口利用神經(jīng)活動作為控制信號, 實現(xiàn)人腦與外界（計算機(jī)或其他外部裝置）的直接通信。而神經(jīng)活動的信號包括電信號、磁信號和血流變化及代謝信息。

由于神經(jīng)活動的本質(zhì)是電信號的產(chǎn)生與傳遞，因此本研究將著重闡述電信號檢測與刺激方法以及基于腦電的腦機(jī)接口電信號的類型。

1、腦機(jī)接口與大腦的三種交互范式

腦機(jī)接口與大腦發(fā)生交互有三種范式，分為讀、寫和雙向。

第一種是讀，也就是記錄大腦信號，比如通過侵入性或非侵入性技術(shù)，讀取大腦的電信號或者血氧信號等來檢測神經(jīng)活動。

第二種是寫，通過電、磁、超聲等作用方式，將能量或信號輸入大腦，可以起到興奮、抑制或調(diào)節(jié)神經(jīng)信號的效果，從而改善腦部功能。

第三種是雙向，融合了前兩種交互的范式，實現(xiàn)記錄與實施刺激的協(xié)同。

1)讀（記錄大腦信號）

按工作模式分類，記錄腦電信號的技術(shù)分為侵入式和非侵入式，區(qū)別就是看需不需要穿越顱骨。

資料來源：華興資本分析

a.非侵入式腦電檢測

非侵入式腦電檢測以腦電圖（ EEG ）為主，采集多個神經(jīng)元的協(xié)同活動。采集設(shè)備不會進(jìn)入人腦，僅需體外佩戴。

因為顱骨和硬腦膜會阻攔部分高頻信號，且外界干擾對 EEG 信號的影響很大，導(dǎo)致 EEG 信號的信噪比較低，空間分辨率較低，所包含的功能信息較少。

但因為無創(chuàng)傷、低成本的優(yōu)勢， EEG可以廣泛應(yīng)用于大量消費醫(yī)療領(lǐng)域、部分嚴(yán)肅醫(yī)療領(lǐng)域。

目前EEG腦電圖是癲癇診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，也應(yīng)用于神經(jīng)功能的治療、電動輪椅或機(jī)械臂的控制。

資料來源：華興資本分析

b. 侵入式腦電檢測

侵入式腦電檢測需要打開顱骨來放置電極，直接在大腦皮質(zhì)內(nèi)采集腦信號，采集路徑短，信號受干擾較小，其時間分辨率在0.01秒內(nèi)，空間分辨率可達(dá)到微米級，可以采集到更高質(zhì)量的腦電信號。

但由于技術(shù)難度大、臨床風(fēng)險較高和價格昂貴等，使得其廣泛應(yīng)用受到了限制。

如下圖所示侵入式腦電檢測會根據(jù)是否植入皮層內(nèi)或創(chuàng)傷的程度，可進(jìn)一步細(xì)分為半侵入式腦電和植入式腦電。

資料來源：華興資本分析

（1）半侵入式腦電（ECoG）

將一個平面柔性電極，在打開顱骨后直接像膏****一樣貼在大腦皮層上，但并不刺入皮層。相比EEG，ECoG減少了顱骨阻隔，擁有更高的空間分辨率，經(jīng)常被用于癲癇病灶術(shù)前精準(zhǔn)定位。

（2）植入式腦電

植入式電極通常需要進(jìn)行開顱術(shù)，再將電極植入。手術(shù)植入和長期的電極與腦組織間的位移都會對腦組織產(chǎn)生損傷，其劣勢就是安全性問題。

不過由于植入式電極可記錄高頻信號，精準(zhǔn)定位異常神經(jīng)元所在，且電極直指病灶，因此是腦科學(xué)領(lǐng)域研究、腦部疾病的有力工具。

總結(jié)來看，從信號質(zhì)量來說，植入式>半侵入式>非侵入式。但手術(shù)創(chuàng)傷和長期損傷風(fēng)險都是侵入式大于非侵入式，非侵入式安全。

侵入式需要動神經(jīng)外科手術(shù)，而且還有電極長期在腦內(nèi)會帶來的物理損傷和免疫損傷，技術(shù)難度很大，這導(dǎo)致了目前基于侵入式技術(shù)的腦機(jī)公司僅占不到5%。

資料來源：華興資本分析

2）寫（刺激大腦）

除了輸出大腦信號之外，我們也可以嘗試將信號輸入大腦。按照工作方式，可以把刺激方法分為非侵入式和侵入式，按技術(shù)方式可以分為電刺激和非電刺激。

資料來源：華興資本分析

基于電刺激的手段有以下三種：

資料來源：華興資本分析

基于非電刺激的手段有以下兩種：

資料來源：華興資本分析

3）雙向交互（同步記錄與刺激）

我們希望看到的，也是更加智能的腦機(jī)接口形態(tài)，是既有記錄又有刺激，既有信息輸出也有信息輸入的閉環(huán)式腦機(jī)接口。

此類閉環(huán)式腦機(jī)接口的代表是Neuropace公司的自主式癲癇治療系統(tǒng)。它包含采集電極、神經(jīng)起搏器和刺激電極，讓神經(jīng)起搏器中來擔(dān)當(dāng)智能中樞，根據(jù)分析監(jiān)測到的腦部異常放電來決定何時輸出電刺激，實現(xiàn)更精準(zhǔn)有效的治療。

另一個案例是帶觸感反饋的機(jī)械手。傳統(tǒng)機(jī)械手都是通過腦電或者肌電來控制，只有信號輸出，但是對外界刺激沒有主動反應(yīng)，如被尖銳物品扎刺不會縮手。

但大腦和手應(yīng)該是有互動的，大腦給手發(fā)出運動控制指令，手也要以觸覺的形式向大腦反饋信息。

帶觸感反饋的機(jī)械手就實現(xiàn)了這樣的雙向互動，更真實地還原自身神經(jīng)通路的通信模式，有更大的應(yīng)用價值。

資料來源：華興資本分析、Neuropace官網(wǎng)

總結(jié)這三種交互方式：讀取，主要被應(yīng)用于運動輔助和對外交流（如意念控制機(jī)械臂，意念打字），也被應(yīng)用于疾病診斷。

寫入，刺激大腦，主要應(yīng)用于疾病治療，如經(jīng)顱磁刺激治療自閉癥。

技術(shù)難點在于理解神經(jīng)信息和功能之間的關(guān)系，比如要用電刺激感覺皮層產(chǎn)生虛擬觸覺，輸入的電信號的幅度和頻率如何影響虛擬觸覺的強(qiáng)弱；

另一個難點是針對于刺激大腦以實現(xiàn)治療作用的刺激技術(shù)來說的，需要去探明刺激哪一片腦區(qū)可以收獲最佳治療效果。

雙向交互，該技術(shù)路線是我們最期待的。

當(dāng)應(yīng)用于治療時，雙向的腦機(jī)接口比單向的治療效果更加優(yōu)化；

當(dāng)應(yīng)用于運動輔助，則可以更好地還原真實神經(jīng)通路的交互模式。

雙向的要確保實時的反饋和智能調(diào)控，實現(xiàn)起來難度較大，但也更具價值。

資料來源：華興資本分析

2、腦機(jī)接口的場景應(yīng)用：

非侵入式腦機(jī)接口，同時在消費和臨床兩大場景均有應(yīng)用，典型的消費級應(yīng)用包括睡眠監(jiān)測、抑郁情緒早期監(jiān)測恢復(fù)、壓力情緒監(jiān)測等。

臨床級應(yīng)用包括意識監(jiān)測、意識障礙改善、認(rèn)知障礙改善、精神疾病失能改善、兒童多動癥改善、聽覺、視覺、觸覺等感覺缺陷的替代。

資料來源：華興資本分析

而侵入式腦機(jī)接口，主要用于臨床級應(yīng)用，具體的臨床適應(yīng)癥更偏向于一些難治性腦部疾病比如癲癇、肢體運動障礙、 難治性腦部疾病，比如癲癇和肢體運動障礙等。

資料來源：華興資本分析

1）在消費醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用示例——情緒評估與干預(yù)

對于類似抑郁等情緒，心理治療界的傳統(tǒng)識別方式主要是基于面部表情、肢體動作、語言等維度的綜合量表，難以準(zhǔn)確定量評估。

但是通過腦電信號相位、幅度的識別則可以更加準(zhǔn)確監(jiān)測、評估患者的情緒狀態(tài)，并針對特殊情緒的腦電信號制定專門的訓(xùn)練任務(wù)以調(diào)整患者狀態(tài)，實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。

2）在嚴(yán)肅醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用示例——中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）疾病的治療

腦機(jī)接口在嚴(yán)肅醫(yī)療領(lǐng)域中最重要的應(yīng)用是中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療。中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病目前占據(jù)中國居民醫(yī)療總花費1/5，高于癌癥位居第一。中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病分為器質(zhì)性疾病和功能性疾病，這兩類均具有龐大的患者人群。

資料來源：華興資本分析

其中，器質(zhì)性疾病是由因外力、腦部缺血或細(xì)胞病變等引起的腦組織損傷，典型的包括腦震蕩，腦卒中、老年癡呆及腦腫瘤等，腦機(jī)接口的治療方式以改善為主，旨在提高患者的生活質(zhì)量。

而腦部功能性疾病則是由神經(jīng)功能失調(diào)引起，典型的包括癲癇、帕金森、精神分裂、抑郁癥、焦慮癥、成癮等，對于這類疾病腦機(jī)接口的治療方式則是以實現(xiàn)治愈為目標(biāo)。

舉例來看，腦機(jī)接口幫助腦卒中“失語”癱瘓患者實現(xiàn)溝通自由，實現(xiàn)大腦對外交流途徑的重建。

另外腦機(jī)用于大腦康復(fù)刺激的原理也被用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的脊髓刺激從而恢復(fù)運動功能的應(yīng)用中。

部分癱瘓患者仍保留健全四肢，腦內(nèi)仍可以進(jìn)行運動想象，但由于神經(jīng)損傷，運動指令難以下達(dá)到肢體，這時可以通過外部建立神經(jīng)通路的方式實現(xiàn)運動功能恢復(fù)，比如Onward公司就設(shè)計了一款脊髓電刺激器，通過靶向刺激脊髓中腿部和軀干運動相關(guān)的所有神經(jīng)，使得癱瘓患者能夠迅速恢復(fù)獨立運動能力。

1、腦機(jī)接口市場規(guī)模

根據(jù)麥肯錫的測算，全球腦機(jī)接口醫(yī)療應(yīng)用的潛在市場規(guī)模在2030-2040年有望達(dá)到400億-1450億美元，其中嚴(yán)肅醫(yī)療應(yīng)用潛在規(guī)模在150億-850億美元，消費醫(yī)療應(yīng)用潛在規(guī)模在250億-600億美元。

資料來源：麥肯錫，華興資本分析

根據(jù)華興醫(yī)療投資團(tuán)隊的研究測算，以單臺腦機(jī)接口設(shè)備5萬元售價計算（不考慮服務(wù)和其他耗材的銷售），中國嚴(yán)肅醫(yī)療領(lǐng)域腦機(jī)接口潛在市場規(guī)模超過1000億，其中腦卒中康復(fù)和難治性癲癇是最大的市場，也是目前臨床上探索和應(yīng)用相對成熟的領(lǐng)域。

資料來源：華興資本分析

2、腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈與核心壁壘分析

腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈的上游是硬件、軟件與腦功能研究，其中硬件主要包括芯片、電極、探針以及電極的植入機(jī)器人等；

軟件主要是腦機(jī)信號的解析算法和軟件；而腦功能研究也屬于整個行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施。

目前臨床界對大腦的研究仍處于起步階段，通過CT、MR等影像設(shè)備的幫助，我們能夠通過腦部的影像學(xué)結(jié)構(gòu)判斷各腦區(qū)的形態(tài)是否完好，但是腦區(qū)的功能仍然是一個黑匣子，臨床領(lǐng)域無法對腦功能進(jìn)行定量評估。

在產(chǎn)業(yè)鏈上游領(lǐng)域，構(gòu)成核心壁壘的是電極和芯片，目前也是包括Neuralink、Blackrock Neurotech、Neuropixels等國內(nèi)外諸多企業(yè)重點技術(shù)攻關(guān)的領(lǐng)域。

產(chǎn)業(yè)鏈中游，是開發(fā)腦機(jī)接口平臺以及腦機(jī)的接入設(shè)備，如外骨骼和可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品的企業(yè)。其中既包括傳統(tǒng)的DBS/VNS設(shè)備，也包括其他新型的侵入式腦機(jī)以及非侵入式、植入神經(jīng)血管的微創(chuàng)式腦機(jī)。

從腦機(jī)的下游應(yīng)用來看主要包括數(shù)字療法、AR/VR、交互通訊等。

資料來源：華興資本分析

3、腦機(jī)接口的技術(shù)新方向：血管內(nèi)支架技術(shù)

先前植入式腦機(jī)接口的技術(shù)包括在顱骨鉆孔，將電極針直接插入腦組織等，這些方法可能會導(dǎo)致患者出現(xiàn)長期的腦部炎癥。

Synchron公司的Stentrode微創(chuàng)式腦機(jī)裝置，其特殊之處在于，它是通過血管介入技術(shù)從將設(shè)計成血管支架狀的腦機(jī)裝置，從頸部底部靜脈輸送進(jìn)入腦部血管，并自腦部血管內(nèi)采集并轉(zhuǎn)譯大腦的神經(jīng)活動。

目前Synchron公司的產(chǎn)品已經(jīng)拿到了FDA突破性醫(yī)療器械的認(rèn)證并正在推進(jìn)臨床試驗中，國內(nèi)也已有多家企業(yè)在嘗試相似的技術(shù)路線。

資料來源：華興資本分析、Synchron官網(wǎng)

1、腦機(jī)接口的分類

資料來源：華興資本分析

腦機(jī)接口按照信息流走向可分為輸出型、輸入型和閉環(huán)反饋型；

按照工作方式可分為侵入式和非侵入式；

按照應(yīng)用場景可分為嚴(yán)肅醫(yī)療場景和消費場景；

按照產(chǎn)業(yè)鏈可分為上游（硬件、軟件與腦功能研究）、中游（產(chǎn)品廠商）和下游服務(wù)；

按照商業(yè)模式可分為產(chǎn)品和服務(wù)兩類。

在大部分重大腦部疾病治療與功能康復(fù)中，侵入式路線的腦機(jī)具有更明顯技術(shù)優(yōu)勢，將可能成為覆蓋這些患者人群需求的主流路線。

資料來源：華興資本分析

綜合對幾種技術(shù)路線、應(yīng)用場景與商業(yè)模式的分析，考慮到腦部重大疾病治療/康復(fù)產(chǎn)品的剛需性和市場規(guī)模，以及侵入式腦機(jī)的高技術(shù)壁壘（電極、芯片、電極植入機(jī)器人、電池、信號采集與解碼等），侵入式腦機(jī)接口將會是我們目前關(guān)注的重點。

資料來源：華興資本分析

來源：華興資本