爭奪下一個(gè)千億美元市場(chǎng)：風(fēng)口之下，腦機接口真正的投資機會(huì )在哪？

2014年巴西世界杯開(kāi)幕式上，在全球超10億觀(guān)眾的見(jiàn)證下，一名身穿鋼鐵俠式緊身衣的截癱青年借助一副“機械戰甲”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(mǎn)感動(dòng)。

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

近年來(lái)，伴隨神經(jīng)科學(xué)與相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，人機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，腦機接口成為了當下最新一代的人機交互方式，得到了世界各國的充分重視與布局支持。

腦機接口，全稱(chēng)為brain-computer interfaces。簡(jiǎn)單來(lái)講，就是將人腦與外界（計算機或其他外部裝置）實(shí)現連接，進(jìn)行直接通信。經(jīng)過(guò)過(guò)去的研究和探索，如今的腦機接口技術(shù)已經(jīng)走過(guò)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(chǎng)的關(guān)注。

那么，腦機接口究竟是一項什么樣的技術(shù)？市場(chǎng)現狀如何？又有哪些實(shí)現場(chǎng)景與投資機會(huì )？近日，華興資本出品了腦機接口行業(yè)研究分析報告。華興新經(jīng)濟基金醫療科技團隊通過(guò)對腦機接口的基本概念以及腦機接口的實(shí)現與臨床應用進(jìn)行分析，并對其市場(chǎng)規模、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、腦機接口的定義及發(fā)展趨勢

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

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

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

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

資料來(lái)源：華興資本分析

2、腦機接口的發(fā)展歷史

腦機接口的學(xué)術(shù)論證和應用實(shí)踐已有數十年的歷史，而人類(lèi)對腦電的學(xué)術(shù)探索還要更早。

1924年，德國精神醫學(xué)家貝格爾發(fā)現腦電波，開(kāi)啟人類(lèi)對腦電的數字化記錄。

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

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

近幾年，國內外均有腦機接口初創(chuàng )公司帶著(zhù)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(zhù)神經(jīng)科學(xué)與相關(guān)技術(shù)的不斷突破，腦機接口技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入快速發(fā)展的階段。

3、腦機接口的意義

作為一項顛覆性的技術(shù)，腦機接口在醫療領(lǐng)域的疾病治療、功能恢復上展現出巨大的價(jià)值。

首先，全球范圍內腦疾病患者群體規模龐大，未能滿(mǎn)足的臨床需求持續存在；

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

資料來(lái)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(lái)批準的神經(jīng)系統疾病****物的數量也維持在個(gè)位數。

因此，腦機接口作為創(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(lái)治愈腦疾病和恢復受損的腦功能。

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(mǎn)足需求，各國政府開(kāi)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劃。中國腦計劃的重點(diǎn)是腦科學(xué)與類(lèi)腦科學(xué)研究。

腦科學(xué)研究關(guān)注腦認知功能的神經(jīng)基礎，旨在探索大腦的秘密；類(lèi)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化將受到很高的關(guān)注度。但我們需要清醒的認識到，在腦科學(xué)和腦機領(lǐng)域中的多項核心技術(shù)還未完全實(shí)現自主可控，比如，國內腦電信號采集設備嚴重依賴(lài)進(jìn)口，腦機芯片、電極等腦機核心組件也亟需發(fā)展國產(chǎn)產(chǎn)品。

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

資料來(lái)源：華興資本分析

本質(zhì)上，腦機接口利用神經(jīng)活動(dòng)作為控制信號, 實(shí)現人腦與外界（計算機或其他外部裝置）的直接通信。而神經(jīng)活動(dòng)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(dòng)的本質(zhì)是電信號的產(chǎn)生與傳遞，因此本研究將著(zhù)重闡述電信號檢測與刺激方法以及基于腦電的腦機接口電信號的類(lèi)型。

1、腦機接口與大腦的三種交互范式

腦機接口與大腦發(fā)生交互有三種范式，分為讀、寫(xiě)和雙向。

第一種是讀，也就是記錄大腦信號，比如通過(guò)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(lái)檢測神經(jīng)活動(dòng)。

第二種是寫(xiě)，通過(guò)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、抑制或調節神經(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(shí)現記錄與實(shí)施刺激的協(xié)同。

1)讀（記錄大腦信號）

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

資料來(lái)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(gè)神經(jīng)元的協(xié)同活動(dòng)。采集設備不會(huì )進(jìn)入人腦，僅需體外佩戴。

因為顱骨和硬腦膜會(huì )阻攔部分高頻信號，且外界干擾對 EEG 信號的影響很大，導致 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(wú)創(chuàng )傷、低成本的優(yōu)勢， EEG可以廣泛應用于大量消費醫療領(lǐng)域、部分嚴肅醫療領(lǐng)域。

目前EEG腦電圖是癲癇診斷的金標準，也應用于神經(jīng)功能的治療、電動(dòng)輪椅或機械臂的控制。

資料來(lái)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(kāi)顱骨來(lái)放置電極，直接在大腦皮質(zhì)內采集腦信號，采集路徑短，信號受干擾較小，其時(shí)間分辨率在0.01秒內，空間分辨率可達到微米級，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(jià)格昂貴等，使得其廣泛應用受到了限制。

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

資料來(lái)源：華興資本分析

（1）半侵入式腦電（ECoG）

將一個(gè)平面柔性電極，在打開(kāi)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)前精準定位。

（2）植入式腦電

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

不過(guò)由于植入式電極可記錄高頻信號，精準定位異常神經(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。

總結來(lái)看，從信號質(zhì)量來(lái)說(shuō)，植入式>半侵入式>非侵入式。但手術(shù)創(chuàng )傷和長(cháng)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(dòng)神經(jīng)外科手術(shù)，而且還有電極長(cháng)期在腦內會(huì )帶來(lái)的物理?yè)p傷和免疫損傷，技術(shù)難度很大，這導致了目前基于侵入式技術(shù)的腦機公司僅占不到5%。

資料來(lái)源：華興資本分析

2）寫(xiě)（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(lái)源：華興資本分析

基于電刺激的手段有以下三種：

資料來(lái)源：華興資本分析

基于非電刺激的手段有以下兩種：

資料來(lái)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)式腦機接口。

此類(lèi)閉環(huán)式腦機接口的代表是Neuropace公司的自主式癲癇治療系統。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(lái)?yè)斨悄苤袠?，根據分析監測到的腦部異常放電來(lái)決定何時(shí)輸出電刺激，實(shí)現更精準有效的治療。

另一個(gè)案例是帶觸感反饋的機械手。傳統機械手都是通過(guò)腦電或者肌電來(lái)控制，只有信號輸出，但是對外界刺激沒(méi)有主動(dòng)反應，如被尖銳物品扎刺不會(huì )縮手。

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

帶觸感反饋的機械手就實(shí)現了這樣的雙向互動(dòng)，更真實(shí)地還原自身神經(jīng)通路的通信模式，有更大的應用價(jià)值。

資料來(lái)源：華興資本分析、Neuropace官網(wǎng)

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

寫(xiě)入，刺激大腦，主要應用于疾病治療，如經(jīng)顱磁刺激治療自閉癥。

技術(shù)難點(diǎn)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(jué)皮層產(chǎn)生虛擬觸覺(jué)，輸入的電信號的幅度和頻率如何影響虛擬觸覺(jué)的強弱；

另一個(gè)難點(diǎn)是針對于刺激大腦以實(shí)現治療作用的刺激技術(shù)來(lái)說(shuō)的，需要去探明刺激哪一片腦區可以收獲最佳治療效果。

雙向交互，該技術(shù)路線(xiàn)是我們最期待的。

當應用于治療時(shí)，雙向的腦機接口比單向的治療效果更加優(yōu)化；

當應用于運動(dòng)輔助，則可以更好地還原真實(shí)神經(jīng)通路的交互模式。

雙向的要確保實(shí)時(shí)的反饋和智能調控，實(shí)現起來(lái)難度較大，但也更具價(jià)值。

資料來(lái)源：華興資本分析

2、腦機接口的場(chǎng)景應用：

非侵入式腦機接口，同時(shí)在消費和臨床兩大場(chǎng)景均有應用，典型的消費級應用包括睡眠監測、抑郁情緒早期監測恢復、壓力情緒監測等。

臨床級應用包括意識監測、意識障礙改善、認知障礙改善、精神疾病失能改善、兒童多動(dòng)癥改善、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)缺陷的替代。

資料來(lái)源：華興資本分析

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

資料來(lái)源：華興資本分析

1）在消費醫療領(lǐng)域的應用示例——情緒評估與干預

對于類(lèi)似抑郁等情緒，心理治療界的傳統識別方式主要是基于面部表情、肢體動(dòng)作、語(yǔ)言等維度的綜合量表，難以準確定量評估。

但是通過(guò)腦電信號相位、幅度的識別則可以更加準確監測、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(zhuān)門(mén)的訓練任務(wù)以調整患者狀態(tài)，實(shí)現精準調控。

2）在嚴肅醫療領(lǐng)域的應用示例——中樞神經(jīng)系統（CNS）疾病的治療

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

資料來(lái)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(lèi)疾病腦機接口的治療方式則是以實(shí)現治愈為目標。

舉例來(lái)看，腦機接口幫助腦卒中“失語(yǔ)”癱瘓患者實(shí)現溝通自由，實(shí)現大腦對外交流途徑的重建。

另外腦機用于大腦康復刺激的原理也被用于中樞神經(jīng)系統中的脊髓刺激從而恢復運動(dòng)功能的應用中。

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

1、腦機接口市場(chǎng)規模

根據麥肯錫的測算，全球腦機接口醫療應用的潛在市場(chǎng)規模在2030-2040年有望達到400億-1450億美元，其中嚴肅醫療應用潛在規模在150億-850億美元，消費醫療應用潛在規模在250億-600億美元。

資料來(lái)源：麥肯錫，華興資本分析

根據華興醫療投資團隊的研究測算，以單臺腦機接口設備5萬(wàn)元售價(jià)計算（不考慮服務(wù)和其他耗材的銷(xiāo)售），中國嚴肅醫療領(lǐng)域腦機接口潛在市場(chǎng)規模超過(guò)1000億，其中腦卒中康復和難治性癲癇是最大的市場(chǎng)，也是目前臨床上探索和應用相對成熟的領(lǐng)域。

資料來(lái)源：華興資本分析

2、腦機接口產(chǎn)業(yè)鏈與核心壁壘分析

腦機接口產(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器人等；

軟件主要是腦機信號的解析算法和軟件；而腦功能研究也屬于整個(gè)行業(yè)的基礎設施。

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

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

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

從腦機的下游應用來(lái)看主要包括數字療法、AR/VR、交互通訊等。

資料來(lái)源：華興資本分析

3、腦機接口的技術(shù)新方向：血管內支架技術(shù)

先前植入式腦機接口的技術(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(huì )導致患者出現長(cháng)期的腦部炎癥。

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

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

資料來(lái)源：華興資本分析、Synchron官網(wǎng)

1、腦機接口的分類(lèi)

資料來(lái)源：華興資本分析

腦機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；

按照應用場(chǎng)景可分為嚴肅醫療場(chǎng)景和消費場(chǎng)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(chǎng)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(lèi)。

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

資料來(lái)源：華興資本分析

綜合對幾種技術(shù)路線(xiàn)、應用場(chǎng)景與商業(yè)模式的分析，考慮到腦部重大疾病治療/康復產(chǎn)品的剛需性和市場(chǎng)規模，以及侵入式腦機的高技術(shù)壁壘（電極、芯片、電極植入機器人、電池、信號采集與解碼等），侵入式腦機接口將會(huì )是我們目前關(guān)注的重點(diǎn)。

資料來(lái)源：華興資本分析

來(lái)源：華興資本