中国信通院周洁等：科技为翼助飞梦想 脑机为伴改变生活
近年来，脑机接口技术发展与应用探索呈现加速趋势，全球各国普遍关注和重视，以Neuralink为代表的公司研究成果发布屡屡将脑机接口热点话题推向公众视野。脑机接口技术的产业发展具有战略意义，目前呈现技术创新不断迭代、产业生态不断壮大、应用范围不断拓展的态势。
发展脑机接口技术和产业势在必行
脑机接口的技术发展已被多国提升至国家战略高度，对健康医疗、科技民生等方面将产生深远影响。
就其发展意义而言，一是提高科技原创能力和夯实科技强国根基。在脑科学领域，人类对脑功能和神经网络的工作原理认知仍然较浅。植入式脑机接口技术有助于人们理解大脑机理，促进神经技术与类脑计算的融合，提高基础研究能力。
二是推动应用数字化和支撑经济发展。脑机接口技术能在多种应用场景下将脑状态进行数字化呈现，从而为娱乐游戏增加互动性，为体育训练提供科学指导，为商业增加营销手段。
三是拓展老龄化应对手段和保障人民生命健康。我国60岁以上人口达2.67亿，国家卫健委预测2035年可突破4亿，占总人口的30%，老龄化导致脑疾病风险攀升且造成沉重的社会负担。世界卫生组织数据显示脑疾病在所有疾病里社会负担最大，达到28%。脑机接口技术也有助于新生儿和低幼患儿的神经疾病筛查与预防，无须言语表达即可通过监视神经活动获取信息。脑机接口技术已被证实比传统药物治疗更精确且副作用较小，面向特定神经疾病疗效优于传统疗法。
脑机接口关键技术稳步推进
脑机接口的关键技术包括采集技术、刺激技术、范式技术和解码技术等。
采集技术方面，侵入式和非侵入式两种技术路线并行。随着微纳加工技术和材料技术的不断革新进步，带动侵入式技术不断革新，植入电极朝柔性化、小型化、高通量、多功能和集成化方向发展。非植入式技术受益于机器学习、深度学习等算法的广泛普及，信号解析能力不断提升，抗扰降噪性能不断加强，且凝胶等新材料的应用也使得脑信号采集设备更具舒适度；近红外等光学检测手段也为脑信号检测提供了新的解决思路。
以脑深部电极刺激为代表的神经调控技术正在探索闭环自适应控制，往往通过连续监视反映疾病状态的特异性生物标志物来启动自适应控制。结合机器学习和深度学习等解码手段实现动态精准刺激。植入式视觉调控技术对盲人群体提高生活质量具有重大意义，相关研究已经开展，研究也逐渐从较为浅层的视网膜刺激向视觉重建效果更好的脑皮层刺激深入。
范式技术的产生是因为大脑的各种思维与响应活动千变万化，因此很难直接从中准确解码特定类型的活动。在脑机接口系统中，用范式来表征对预定义的大脑意图的编码方案。范式编码技术在发展过程中日益重视纳入用户感受，向更加友好和高效的方向发展。例如视觉诱发电位刺激范式的界面布局更加优化，提高用户的舒适度，同时引入人脸图像刺激及融合音视频等物理刺激手段，有效提升了使用者的脑机接口性能表现；稳态视觉诱发电位范式通过降低亮度、减少刺激面积等方式避免使用者的视觉疲劳，并通过对频率、时间、空间的混合编码优化，实现脑机接口系统性能的提升；运动相关皮层电位范式和运动想象范式通过主动式的运动意图诱发人脑响应信号，从而使脑机接口系统的使用状态更加真实自然。
解码技术用于了解采集记录的信号含义。解码技术依托分解算法、机器学习、深度学习、黎曼几何等方法不断提升解码精度和解码效率，为脑机接口系统解决跨用户和跨时间的可变性难题，提供新的解决思路。
脑机接口应用需满足五大需求
脑机接口广泛应用的前提是满足“准确、高效、稳定、易用、安全”五大需求。即脑机接口系统应具有准确的大脑意图解码算法；高效的信息解码效率，快速地反馈响应和执行任务；稳定的设备性能与抗干扰能力；易用、轻便、舒适的使用体验；安全的植入、采集和信息传送保障。
是否满足五大需求的评判指标，可分为性能指标与可用性指标。性能指标主要体现为响应时间、识别正确率、可输出指令数量和菲茨吞吐量四个易量化指标；可用性指标主要体现为易用性、长效性、鲁棒性、安全性和互操作性五个指标。
脑机接口产业发展趋势
脑机接口产业当前发展的特点为：一是市场规模小但增速快。2020年全球脑机接口市场规模为14.88亿美元，多家咨询机构预测该领域市场的年复合增长率不低于10%，增长周期会超过20年甚至更长。二是企业数量较少但增长速度快。当前全球脑机接口公司大约有300家，但该领域备受政府和投资界的关注，高校孵化企业数量不断攀升，市场活跃力量不断加强，投融资金额不断增加。2020年即便受疫情影响，脑科学企业仍迎来融资高峰，从之前的每年不到10起增加至2021年的38起。三是应用刚起步但前景广大。当前脑机接口市面销售的产品多为采集设备和神经调控设备，主要集中在医疗和科研应用领域，但实际已在小范围内开展多应用领域探索和面向个人、企业与政府的多层次市场开发，如利用脑电波头盔监控高危作业人员状态、利用运动想象和虚拟现实等技术辅助卒中运动康复、利用脑波监测反馈用户睡眠状态和冥想状态。
仍需加强创新协同和推动应用落地
脑机接口产业在发展中对“多学科协作、多行业协同”的诉求非常强烈。有必要面向脑机接口领域形成“产学研用金政”协同创新体系，一是以科研资源共享机制推动学术和研发协同。促进数据、仪器、人才等科研资源共享。二是以联盟合作方式推动产业协同，使政府、企业、投资机构和科研高校之间形成密切沟通合作模式，促进产业问题突破、科技成果转化和应用场景探索与开拓。
为加快应用落地，有必要全面、系统地支持和鼓励各项工作并行推进，包括关键技术突破、工程技术革新、科研工具平台建设、标准测试验证体系搭建、科技伦理共识形成。尤其是应尽快组织脑机接口产业创新联盟和技术试验，促进关键技术不断演进成熟和产业应用不断发展丰富。要尽快建立健全本领域科技伦理审查和风险评估防控机制，从而促进应用安全落地，让科幻成真改变现实、脑机协同造福民生。
作者简介
周洁，中国信息通信研究院知识产权与创新发展中心高级工程师，主要从事脑机接口、工业互联网、区块链技术研究。
联系方式：zhoujie@caict.ac.cn
梁栗炎，博士，现就职于中国信息通信研究院知识产权与创新发展中心，主要从事脑机接口研究。
联系方式：liangliyan@caict.ac.cn
来源：人民邮电报
校 审 | 陈 力、珊 珊
编 辑 | 凌 霄
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