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       來源：專知
      
     
    
   
   
    
     
      
       
        
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         腦機接口是一項跨學科的合作項目，任何一個子領域 的差距都使得項目整體無法前行。

行業(yè)圖譜研究是本團隊科技成果轉(zhuǎn)化研究的一項子課題，目標定位于清晰理解前沿科技成果的技術核心、科創(chuàng)企業(yè)的技術競爭力及科研工作者的研究進度，從而助力科技成果轉(zhuǎn)化效率的提升。行業(yè)圖譜研究將以系列形式展開，選取國家戰(zhàn)略重點科技領域的商業(yè)應用場景逐一進行，時效性較強。本報告為行業(yè)圖譜的計算機科學系列之腦機接口領域。美國、歐盟、日、韓、澳大利亞等多國已加速布局腦機接口，搶占全球腦科學競爭戰(zhàn)略高地。中國對該技術的重視程度不亞于發(fā)達國家，近兩年已經(jīng)將其上升為國家戰(zhàn)略。腦機接口是指在人或動物大腦與外部設備之間創(chuàng)建的直接連接實現(xiàn)腦與設備的信息交換，其工作流程包括腦電信號的采集、處理、輸出和執(zhí)行，最終再將信號反饋給大腦。其中，腦電信號的采集和處理是核心。腦電信號采集技術包括腦電信號的放大和模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，軟件主要由嵌入式程序、USB 程序和 PC 端程序構成，使用到的硬件設施有腦機接口電極、腦機接口芯片等。腦電信號處理技術，包括腦電的預處理，神經(jīng)元信號提取算法，深度學習，數(shù)據(jù)管理，機器學習算法，軟件工程等各環(huán)節(jié)，都依賴于 GPU、 CPU 等高性能硬件設備提供的算力作為基礎，并被集成于腦機接口芯片中。腦機接口的電極、芯片是核心技術競爭的硬件設備。目前國內(nèi)缺乏商業(yè)化的侵入式陣列電極，而最先進的電極都是在國外生產(chǎn)或與外國有關。國內(nèi)的技術和產(chǎn)品無法與美國的重量級成果如 Neuropixel 等相媲美。芯片的生產(chǎn)上，高質(zhì)量的原材料和制造設備均依賴于國外供應商，例如硅晶圓主要由美國的 Global Foundries 和臺灣的臺積電等公司生產(chǎn)，金屬線材主要由美國的 TE Connectivity 和日本的 Furukawa Electric 等公司生產(chǎn)。目前國際芯片企業(yè) Neuralink 獨占領先地位，我國聚德科技正在此領域緊追。腦機接口的數(shù)據(jù)處理技術也是關鍵的核心競爭力。具體指將采集到的腦信號進行分析和解碼的過程。國際上，美國 Google 的 DeepMind 實驗室在機器學習算法和人工智能方面有著突出的研究成果，能夠?qū)δX信號進行高效的分類和識別，實現(xiàn)對腦機接口的精準控制。美國 BrainGate 團隊也在腦機接口數(shù)據(jù)處理方面取得了重要突破，他們利用機器學習算法實現(xiàn)了運動意圖的準確識別和肢體運動控制。國內(nèi)已經(jīng)有部分企業(yè)可以實現(xiàn)非侵入式腦機接口的腦電信號分類和識別。在侵入式腦機接口的數(shù)據(jù)處理技術方面，美國的霍華德·休斯醫(yī)學研究所開發(fā)的尖峰排序 Kilosort 算法可以從侵入式腦機接口的腦電信號中提取單個神經(jīng)元的信號，然而國內(nèi)沒有研究機構或企業(yè)開發(fā)出可以與之匹敵的算法。

綜合來看，腦機接口是一項跨學科的合作項目，任何一個子領域的差距都使得項目整體無法前行。相比國外，國內(nèi)的基礎科學較薄弱，例如芯片技術研發(fā)、電極材料學、傳感器的研究、腦神經(jīng)科學基礎研究、光遺傳學、心理學、臨床外科學的探索等等都無法達到國外最先進水平。所涉及到的硬件設施的底層技術和原材料幾乎來自于歐美。通常從腦電信號采集的角度將腦機接口技術分為侵入式和非侵入式兩類。侵入式腦機接口目前適用于醫(yī)療、患者治療、神經(jīng)科學研究等場景，未來有望適用于消費級場景，其技術壁壘較高，需要進行開顱手術，將電極植入到大腦皮層及其內(nèi)部采集腦電信號，因此可獲得質(zhì)量較高的神經(jīng)信號；其缺點是容易引發(fā)人體的排異反應，產(chǎn)生神經(jīng) 瘢痕包裹電極，進而導致神經(jīng)信號質(zhì)量降低。非侵入式腦機接口目前適用于消費娛樂、殘疾人士交互等場景，腦機接口不進入大腦，只需要用電極連接頭皮來獲取信號，對人體傷害較小，技術難度較低，如使用腦電帽采集腦電信號；但由于顱骨對神經(jīng)信號的衰減作用和對神經(jīng)元發(fā)出的電場活動的分散和模糊效應，使得信號分辨率不高。侵入式和非侵入式技術在場景應用和技術實現(xiàn)上各有優(yōu)劣勢，因此腦機接口企業(yè)基于企業(yè)自身的技術儲備和戰(zhàn)略定位，選擇不同類別的技術解決方案。

近年來新成立的腦機接口公司創(chuàng)始人基本都是由各自領域的專家和資深的從業(yè)者組成，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界與學術研究機構以密切合作模式促進腦機接口技術發(fā)展。由于腦機接口技術壁壘相對較高，預計未來腦機接口產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍由學術研究機構主導，產(chǎn)業(yè)資本與學術研究機構合作將更加緊密，促進技術的產(chǎn)業(yè)孵化。

腦機接口行業(yè)圖譜