2014年巴西世界盃開幕式上，一位全身癱瘓的前足球運動員透過腦機介面技術操控外骨骼，成功完成了一個2秒的開球動作。10年前的這2秒一直被認為是腦機介面技術的里程碑。透過腦機介面技術，這名前足球運動員重拾了源於球場的自信。在嘈雜的球場環境中，腦機介面發揮了穩定操控的技術潛力。
腦機介面技術的發展並非偶然，而是跨學科創新融合的成果。從腦科學、神經科學到材料科學、心理學，再到計算機科學，腦機介面已經成為多學科交叉的前沿陣地。在腦機介面的開發過程中，我們不僅在掃清大腦與機器之間的障礙，更在逐步揭開大腦奧秘的同時，推動著人類智慧進一步發展。
在本篇行研報告中，我們將從腦機介面的分類、科學原理、發展脈絡和商業化路徑入手，分析這一領域的創新機會與發展方向。這也是我們釋出的第三篇與腦科學相關的報告，之前我們於2021年、2022年釋出的兩篇行研報告側重於腦與認知科學領域的起源、研究方法，以及發展出的新工具與新療法。
我們持續關注腦科學領域的創業投資機會，期待與更多創新公司同行，解鎖更多未知的領域。
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腦機介面是什麼？對人類有什麼用？
人類的大腦是一個異常複雜的結構，擁有860億個神經元，超過萬億的神經元連線，是目前已知資訊處理能力最強的“計算機”。
《紐約時報》刊登過兩張照片，一張是小鼠的大腦神經元網路，另一張是宇宙的星系，二者驚人地相似。大腦與整個宇宙似乎擁有一樣的連線結構。因此，人的大腦也被稱為“3磅重的宇宙”。
我們如何研究大腦複雜的連線結構，觀察、解讀乃至調控大腦的活動？
腦機介面透過建立人腦與外部裝置互動的“橋樑”，為我們提供了一種新的思路。
具體而言，腦機介面中的“腦”指的是人類大腦和中樞神經系統，“機”則是外部裝置，比如機械臂、鍵盤、滑鼠、攝像頭，甚至無人機、電子皮膚等裝置。腦機介面既可以將大腦的想法轉化為指令，控制裝置，也可以透過外部裝置，向人腦寫入資訊。
腦機介面的研究看似充滿科幻色彩，實際上試圖解答一些根本性的問題，比如，大腦的意圖能否被解析？是否可以直接讀取甚至“下載”大腦中的知識？另外，腦機介面的應用潛力也讓人充滿期待。比如，腦機介面能否讓我們變得更聰明，能否實現“一心多用”，等等。
從更宏觀、更長遠的視角來看，腦機介面的價值在於人們將不再依賴語言或者肢體運動，而是直接以大腦為媒介，與外界建立溝通。
人類無法以超越自我語言的速度和別人溝通。然而，我們大腦中的知識和體驗往往比語言和行為更豐富，我們的大腦也有能力透過訓練適應更快的閱讀（資訊輸入）和寫作（資訊輸出）速度。
一個更加具體的對比是，雖然人的大腦擁有比同功耗的電腦更高的算力，但傳統的語言和文字輸出速度相對較慢，一般每秒40～60位元，計算機傳輸資訊的速度遠高於此，能夠達到每秒百萬位元的水平，大概是語言的20多萬倍。
腦機介面的出現有望打破傳統語言的束縛，更高效地傳遞大腦中的資訊。這種新的溝通形式將在回答神經科學的基本問題、干預大腦疾病、提升學習互動效率等不同層面產生巨大的價值。
/ 02 /
為什麼當下要關注腦機介面？
1973年，腦機介面的概念被正式提出，如今已經過了半個世紀。2016年，標誌性腦機介面公司Neuralink成立，至今已經過了7年。
如果說7年前，腦機介面行業主要圍繞材料的創新和大腦電生理訊號的解讀，那麼目前行業已經開始關注產品和臨床應用的開發。
在產品和臨床端，Neuralink已於2024年11月獲得了加拿大衛生部臨床試驗批准，並開始招募志願者，以評估Neuralink的腦機介面在“幫助四肢癱瘓患者用意念控制外部裝置”方面的初步功能。在國內，清華大學洪波教授團隊與企業共同開發的腦機介面產品，於2024年8月成為我國首款進入創新醫療器械特別審查程式的腦機介面產品。
在產業端，2024年12月，由天橋腦科學研究院與腦機介面協會聯合主辦的國際腦機介面大會在上海召開，這是該國際頂級學術會議在創辦25年後首次落戶亞洲。
在行業標準方面，2024年5月，國家網信辦等三部門印發《資訊化標準建設行動計劃（2024—2027年）》，強調推進腦機介面標準研究，加強輸入—輸出介面、腦資訊編解碼演算法、腦資訊安全與隱私保護等關鍵技術和應用標準的研製。2024年6月，中國科技部發布《腦機介面研究倫理指引》，界定和劃分了腦機介面技術中的術語，澄清了倫理審查工作中可能遇到的概念模糊。這是我國首次專門編制關於腦機介面研究的倫理指引檔案。
為什麼腦機介面這麼熱，我們為什麼要關注腦機介面？
從技術演進的角度，腦機介面是一個交叉領域，集成了腦科學、材料科學、人工智慧等領域的最新進展，這些單學科的進展將推動腦機介面的發展。2000年以來，覆蓋不同學科的腦機介面專利的數量有了顯著的增長。
從科研的角度，今天的腦科學研究已經從“無從下手”進入“部分有了手段，尚待深入”的階段。而透過侵入式腦機介面技術，預期可以實現從單個神經元到百萬神經元的觀測，幫助我們更好地理解人體大腦的微觀活動和介觀活動。從尺寸的角度，電極目前是實現微觀到介觀人類大腦觀測的唯一手段。腦機介面會為解開腦科學的謎題帶來新的結論。
在臨床應用中，腦機介面為一些無藥可治的疾病帶來了治療新希望。比如，腦機介面有望緩解中樞神經系統疾病（CNS）藥物研發緩慢、無藥可用的困境，可以提供一種評估CNS藥物大腦效果的方法。具體來看，腦機介面應用於人體臨床治療，可以干預骨髓損傷、語言區損傷造成的失語症等無藥可醫的疾病。
在市場規模層面，腦機介面的市場增長速度快。根據研究機構Precedence Research和Market.US的資料，2023年全球腦機介面市場規模已超過20億美元，預計將以17%的年複合增長率增長，到2033年將突破100億美元。而依據量子位釋出的專題報告，到2040年，我國腦機介面行業的綜合市場規模有望達到1250億元，其中裝置市場規模可能超過500億元。
另外，考慮到國際競爭日益激烈和大腦資料的敏感性，開發和發展自主可控的腦機介面電極材料、裝置和演算法，對於推動國內腦機介面產業的發展是必要的。
早在2018年11月，美國商務部出臺的針對最新的14大類關鍵技術和相關產品的出口管制框架中，就提到了包括神經控制介面、意識—機器介面、直接神經介面等與腦機介面直接相關的內容。而從專利數量上看，我國在腦機介面技術開發中的優勢主要體現在腦電資料編解碼和腦機介面最佳化設計方面，而美國更關注與應用場景直接相關的領域，譬如多場景應用、多模態與感官分析方法等。
/ 03 /
腦機介面有哪些種類？
一、根據與大腦的物理作用方式
根據與大腦的物理作用方式，腦機介面可以分為侵入式、非侵入式、半侵入式和介入式四個型別。我們可以用“探索星體”的視角，理解不同型別的腦機介面如何探究人類的大腦。
1、侵入式
侵入式腦機介面類似在星球探索中，直接登陸、收集並帶回各種土壤和標本進行研究。
侵入式腦機介面直接把電極植入大腦內部，以記錄或調控神經元電活動。記錄的內容一般包括單一神經元脈衝放電和區域性區域內多個神經元放電產生的總體電位變化。相比其他型別的腦機介面，侵入式腦機介面透過原位採集的方法獲得的腦電訊號最精確，資訊量最大。
從臨床轉化角度看，侵入式腦機介面是目前記錄乃至調控單個神經元到百萬級別的神經元，覆蓋微觀到介觀尺度的唯一手段。侵入式腦機介面的開發被認為是解讀大腦、干預某些腦重大疾病的必由之路。
另一方面，侵入式腦機介面在植入時需要進行開顱手術，在植入後往往難以拆除，植入物需具備長期的生物相容性。因而，侵入式腦機介面的發展相對緩慢。在臨床上，科研人員會著重評估患者的風險與獲益，優先將腦機介面面向嚴重的肢體疾病或者腦疾病患者。
目前，透過採集腦電訊號，並根據異常訊號施加電刺激治療的“腦起搏器”，可以視作已經商業化的“侵入式腦機介面”，主要應用於帕金森病、特發性震顫、癲癇等疾病的治療。
相對而言，能夠更廣泛解讀大腦訊號的侵入式腦機介面技術仍處於臨床試驗階段。比如，猶他電極是侵入式腦機介面常用的電極，在2004年獲得FDA臨床試驗許可。多達100根纖細如針一樣的電極，排布在不到1元硬幣大小的金屬材料上，能夠同時採集數百個神經元的活動。截至目前，全球僅有不到40位受試者接受了猶他電極的植入試驗。
2、非侵入式
非侵入式腦機介面類似於遠距離觀測星球。
非侵入式腦機介面，一般是在頭皮表面或採用非接觸的形式採集或干預大腦活動訊號。常見的採集訊號包括腦電訊號、腦磁訊號、腦血氧訊號等，常見的干預手段包括經顱電刺激、經顱磁刺激甚至是感官刺激等。
這種方法無需開顱手術，使用者往往只需要佩戴頭盔、額頭貼，甚至無需與裝置直接接觸，因而安全性和臨床使用便捷性較高。不過因為受到人體大腦顱骨的遮蔽和扭曲，非侵入式腦機介面訊號解析度不高，資訊量可能相對有限，目前適用的控制任務較簡單。
因為使用者接受程度高，非侵入式腦機介面優先得到了偏消費級應用場景的青睞，商業化潛力不能低估。比如，腦陸科技曾釋出的睡眠貼SleepUp可用於睡眠監測，也能適當助眠。目前，科學家正在開發新的“電子紋身腦機介面”，這是一種基於導電高分子材料的液體墨水，墨水乾燥後，能夠在皮膚表面形成一層使用者近乎無感的薄膜電極，透過頭皮捕捉大腦活動。
3、半侵入式
半侵入式相當於在衛星軌道上觀測星球。半侵入式腦機介面介於非侵入式和侵入式腦機介面之間，雖然仍需要透過手術佈置電極，但電極並不刺入大腦皮層，而是像貼片一樣，粘在顱骨下、皮層上方。
因為不受顱骨遮蔽的影響，這一類腦機介面技術採集的腦電訊號解析度顯著優於非侵入式。同時，電極位於皮層上方，受到的免疫排異和振動位移小，安全性高於侵入式。因而，相比侵入式腦機介面，半侵入式在臨床端更容易得到認可。
半侵入式腦機介面遠期可能是面向癱瘓、漸凍症、肌功能障礙等嚴重疾病的商業化方案，近期是完善侵入式腦機介面臨床方案的重要里程碑。清華大學洪波教授和企業聯合開發的腦機介面目前已完成三例癱瘓患者的電極植入，所採用的正是半侵入式腦機介面技術。在科研端，半侵入式腦機介面在語言腦機介面上取得了不錯的進展，並被用於探索視覺重建、意念控制等不同的場景。
4、介入式
半侵入式相當於在衛星軌道上觀測星球。半侵入式腦機介面介於非侵入式和侵入式腦機介面之間
介入式腦機介面類似於在地表下的管道內探測星球。介入式腦機介面是透過靜脈支架的方式將電極送到離大腦目標區域較近的靜脈當中，採集或干預大腦活動。
得益於心臟支架近50年的臨床使用歷史，介入式腦機介面的安全性好、穩定性高，部分產品已經經過臨床試驗的驗證。另一方面，由於血管對於腦電訊號的遮蔽仍然顯著，而且感興趣的腦區可能沒有均勻的靜脈分佈，目前介入式腦機介面只能完成比較簡單的任務，比如腦控游標移動。
從商業程序上看，介入式腦機介面可能是在非侵入式腦機介面之後，率先能面向患者推廣的腦機介面產品。
美國Synchron公司開發的Stentrode產品就是一款介入式腦機介面，透過皮下植入，並經由血管延伸到運動皮層附近，檢測運動皮層的電訊號。患者可以透過這一裝置無線控制觸控式螢幕、滑鼠、鍵盤，實現打字、發郵件甚至在銀行裡開戶等操作。
二、按照中樞神經系統系統與外界的互動方式
按照中樞神經系統（CNS系統）與腦機介面的互動方式，可以將腦機介面分為讀、寫和讀寫融合三種類型。
讀型腦機介面透過電、磁、血氧等訊號記錄大腦活動，輸出端是外部裝置，如腦控機械臂，這是比較常見的腦機介面型別。
寫型腦機介面透過電、磁、超聲等作用方式，將能量或訊號輸入大腦。輸入端是外部裝置，如視覺假體。這一類腦機介面的作用物件和干擾因素均是大腦本身，其開發需要深入理解大腦的生理狀態，甚至是高階認知過程等。
讀寫融合型腦機介面能夠融合兩種互動正規化，實現記錄與刺激的協同。這一類閉環式的腦機介面是當前研發的前沿領域，旨在高效和個性化地實現腦機介面的功能。
Neuropace開發的採刺一體式癲癇治療植入裝置，可以視作一種最簡單的讀寫融合類腦機介面。透過皮層半侵入式電極捕捉癲癇相關異常腦電訊號，觸發腦深部電刺激抑制癲癇發作。另一類讀寫融合式腦機介面是目前在研的“神經電子橋”或“腦脊介面”，從大腦提取運動控制訊號，然後將電刺激施加於脊髓斷裂處的下方，恢復病人肢體功能。我們將在下文詳細展開。
三、按功能演進
腦機介面按功能的演進可以分為修復型、改善型、增強型和溝通型四類。
1、修復型
修復型腦機介面用於彌補患者身體失去的機能，主要針對人的運動（包含語言表達）和感覺系統。開篇我們提到的巴西世界盃上，癱瘓的前足球運動員完成2秒開球，所使用的就是修復型腦機介面。
修復型腦機介面一直是研究的主流方向。一方面，運動皮層和感覺皮層的面積較大，有利於開展神經電生理的研究；另一方面，針對運動與感覺的試驗可以得到受試者最直接的反饋。
迄今為止，雖然人們在理解運動和感覺的大腦編碼領域取得了一定進展，但仍無法建立完善的人的自由意志與特徵大腦訊號的對應關係。腦機介面發展的半個世紀以來，修復型腦機介面主要處在實驗室階段或者臨床試驗階段。未來，修復型腦機介面的開發，可能需要基於更完善資料下的解碼能力，以及配合人類大腦本身的學習過程。
在修復型腦機介面中，最成功的例項是人工耳蝸。根據貝哲斯諮詢的報告，2023年全球的人工耳蝸市場達到20.55億美元。值得注意的是，人工耳蝸並不是直接作用於人的聽覺皮層，而是透過不同電極分不同頻率地與聽覺神經（螺旋神經元）連線，模仿耳蝸傳遞不同頻率聲音的工作原理。人工耳蝸修復的是人聽到不同頻率聲音的能力，而不是幫助人形成對於聲音語義的理解。在植入人工耳蝸後，患者一般需要一年左右的時間，從聽到不清楚的對話和無法分辨的聲音，來慢慢“聽懂”之前自己已經熟悉的語言。
2、改善型
與修復型腦機介面不同，改善型腦機介面往往不侷限在皮層某個單一區域的電活動，而關注神經遞質的變動，以及全腦腦網路的活動。
大腦不是一個客觀資訊的被動接收者。大腦的可塑效能夠給改善型腦機介面提供“土壤”，從而讓腦機介面進行精神狀態的調節，乃至精神疾病的治療，比如改善失眠、管理焦慮情緒、干預強迫症、治療抑鬱症等。
值得一提的是，《自然醫學》雜誌上的一篇學術文章曾分析了超過800例抑鬱症患者在靜息態和特定任務狀態下，與抑鬱症有關的六種腦網路的活動模式。
透過對這六種網路對應大腦區域的活躍程度和連線組進行量化評估，並與健康人群進行對比，作者確定了六種不同的抑鬱症分型，每種分型都對應獨特的大腦活動模式。根據分型結果，作者對不同患者嘗試採用不同的治療策略，發現抑鬱症分型與不同的臨床症狀和治療反應相關。
這種對抑鬱症患者腦活動的解讀、分型及治療試驗表明，特定的大腦活動模式可以預測對個體患者最有效的治療策略，有望為抑鬱症治療的改善型腦機介面提供重要的理論支撐。
3、增強型
改善型腦機介面主要面向精神疾病患者，而增強型腦機介面旨在增強健康人群的大腦功能，包括提升專注力、增強記憶甚至是多工處理等。增強型腦機介面的開發同樣與腦圖譜研究的進展關聯密切。
一個增強型腦機介面的案例是日本尼桑開發的駕駛員頭戴式腦機介面，其在緊急情況下可將腦電波傳給汽車從而迅速制動。開車時，身體行為反應比大腦活動滯後，腦電訊號控制剎車一般能夠節約0.2～0.5秒的反應時間，對應以每小時120千米高速行駛的汽車，意味著將開始制動的位置提前約7米，這對於提高駕駛的安全性意義重大。不過，因為採用非侵入式裝置記錄的腦電訊號在控制精度和即時性上相對有限，特別是人腦在駕駛時往往是多工模式，所以記錄的資料複雜且因人而異，“腦控剎車腦機介面”想要落地可能還需要很長一段時間。
另一個已經商業化的案例是Thync公司開發的腦機介面產品Feelzing，透過非侵入性的經皮耳迷走神經刺激，提升人在任務模式下的專注力。公司自行開展的雙盲對照試驗資料顯示，約三分之一的受試者獲得了較強烈的改善，包括大腦敏銳度提升、情緒和工作積極性改善、精神疲勞減少、效率提升等。
4、溝通型
溝通型腦機介面是未來的研究重點，它的目標是透過超越傳統語言的方式實現思想的直接交流，從而加速學習、工作和溝通的效率，實現人際交流中的“心領神會”。溝通型腦機介面將帶來等效學習和交流內容的增加，成為“群體智慧”進步的重要驅動力。
在目前的研究中，腦機介面僅能實現對於單一感覺或者單一衝動的“共享”。2018年，華盛頓大學開展了一項三人協作玩俄羅斯方塊的實驗，透過從視覺皮層提取腦電訊號特徵，並由經顱磁刺激傳遞“衝動”感覺，實驗初步驗證了人類可以在無語言交流下，僅透過腦電訊號進行任務協作。
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腦機介面的腦科學原理：本體感覺
我們在之前關於腦科學的行研中曾經提到一些關於腦科學的原理，比如神經可塑性，描述的是神經元具有重新生成及進行新的連線的能力。新生成的連線可以使大腦的某些區域以與先前不同的方式運作。
我們將在本篇中詳細介紹另一個不太被提起的腦科學原理——本體感覺，我們可以將其視作神經可塑性的延伸。
大腦不僅是一個資訊接收器，它還能夠對外界進行重構，將外部物體納入自我感知範圍。這種延展的認知能力被稱為“本體感覺”或者“近體空間”。
我們平時察覺到的更多是大腦傳遞給我們的“地圖”，不一定是身體的真實情況。我們的近體空間建立在我們的身體加工具之上。這種近體空間甚至可以包含電腦中的虛擬世界。
例如，手持工具時，我們的身體感知能夠擴充套件到工具的末端，就好像工具是我們身體的一部分。另一個形象的例子是“車感”，是人們在駕駛中建立的對人車運動的整體感，人們的感知從個體拓展到了車的各個頂點和輪廓。
腦機介面也是在建立患者的一種“介面感”。根據大腦能夠被塑造的特點，讓大腦“適應”裝置，進而視其為自我的一部分。
倫敦大學的實驗進一步驗證了這種現象：當參與者使用透過腳控的機械手指作為“第六根手指”來完成任務時，大腦逐漸適應了機械手指的存在，將其視為自己身體正常的延伸。受試者可以輕鬆協調單手的五根手指與腳控的第六根手指，完成邊做數學題邊搭積木、矇眼做出各種手勢等多種不同的動作。
▲參與者可使用透過腳控的機械手指作為“第六根手指”
圖片來源：倫敦大學實驗的機械手指試驗
後來，腦影像學結果顯示，訓練之後，受試者大腦中每個手指對應的大腦活動模式更加相似，腳趾與手指的運動訊號也變得更加相似。這種變化帶來的重塑在訓練結束7~10天后仍然存在。這種大腦活動模式的適應性變化，為腦機介面裝置被人類“接受”為身體的一部分提供了科學依據。
人的大腦把近體空間拓展的工具當作身體的一部分去適應。類似地，能夠幫助人類拓展近體空間的理想腦機介面也最終會被人體適應。
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腦機介面的發展脈絡：
從科幻走向現實，
從科研到技術，再到臨床
一、啟蒙時期（1980年前）
腦機介面的歷史最早可以追溯到腦電的發現。
1924年，德國精神病學家漢斯·貝爾格在一名17歲男孩的頭部疤痕附近記錄到電流計鏡面的微小振動。這是人類歷史上第一次記錄到人腦的電活動。
這種人腦產生的電訊號，即我們今天熟知的EEG（腦電圖）訊號，是大腦皮層神經元電活動的一種刻畫。
漢斯·貝爾格進一步發現，在不同的大腦狀態下，腦電圖會呈現不同的特徵。例如，當人處於清醒、放鬆的狀態時，大腦會出現頻率為8～13赫茲的α波，而在邏輯思維活動時，大腦則會出現頻率為13～30赫茲的β波。
1965年，美國作曲家阿爾文·盧西爾透過捕捉自己α波的節律訊號，成功控制打擊樂器的節奏，完成了一場獨特的表演。這是人類第一次透過腦電訊號實現與外界裝置的直接互動，可以說是最早的腦機介面例項。
腦電的發現，以及神經電生理的研究，為腦機介面的出現奠定了關鍵的基礎。此外，在1950—1970年，積體電路的出現、數字計算機的發明及由計算機完成的訊號處理，提供了深入分析連續變化的腦電訊號的技術手段。
當這些元素在1970年前後“湊齊”時，腦機介面的概念應運而生。1973年，加州大學洛杉磯分校的雅克·維達爾教授首次提出了腦機介面的概念，開始探討如何透過腦電訊號實現腦與計算機的直接通訊。
總的來說，腦電訊號的發現與解讀奠定了腦機介面的主要發展方向。雖然功能磁共振成像、腦磁圖、功能腦近紅外等手段同樣能夠記錄大腦的活動，甚至進行某些解碼，但腦電訊號依然是腦機介面的主要大腦資訊源。
二、探索時期（1980—2000年）
1、非侵入式腦機介面研究階段
從20世紀80年代到2000年，人們對於腦機介面研究進入了深入探索階段。一方面，科學家們藉助最早透過非侵入式的EEG訊號研究，開始了腦機介面的初步嘗試，並在基於視覺誘發電位和手部運動想象訊號的腦機介面上取得了進展。
視覺誘發電位是透過記錄大腦對特定頻率視覺刺激的反應來進行的實驗方法。當受試者看到螢幕上以特定頻率閃爍的圖示時，即使該頻率超過肉眼可辨識的範圍，大腦仍能有效地“捕捉”到這些訊號的頻率並呈現在腦電圖當中。透過設計特定的視覺輸入頻率，可以間接控制外部裝置，如透過軟鍵盤打字。
手部運動想象是透過對手部特定手勢的運動想象來控制外部裝置。之所以選擇手，是因為與手部運動想象關聯的大腦皮層，在運動和感覺皮層中所佔面積很大；對於手的運動想象，便於腦電圖記錄到明顯的特徵訊號。
值得關注的是，清華大學高小榕教授在2002年研發出基於視覺誘發電位的腦機介面，受試者可以透過看螢幕上的數字撥打傳呼機，在當時世界範圍內是十分領先的。
這種基於非侵入式腦機介面技術實現的拼寫控制、輪椅控制、簡單通訊的研究正規化也一直保留到了今天。
然而，EEG訊號也存在一定的侷限性。由於EEG只能記錄頭皮表面的橫向電位差，無法捕捉大腦皮層深處的垂直電活動，而垂直方向的電流通常承載著較為豐富的認知和運動資訊，因此EEG訊號的表達資訊較為有限。此外，更重要的是，EEG無法直接與個體的自由意志進行簡單對應，一般需要依賴外部刺激引發皮層響應、尋找特徵EEG訊號而間接控制外部裝置，這大大限制了其應用範圍。
因此，同一時期，科學家也在開發侵入大腦內部的腦機介面電極。
2、侵入式腦機介面研究階段
最早的一類侵入式腦機介面是美國佐治亞理工學院的菲爾·肯尼迪發明的神經營養電極，用於記錄電極變化。他巧妙地將坐骨神經等外周神經片段放入電極，實驗證明在植入大腦後，能被周圍神經元接納而減弱免疫排斥反應。此外，神經營養電極使用玻璃漏斗，在電極和長進來的神經軸突周圍形成絕緣隔離，起到了放大細胞外動作電位的效果。
1998年，科學家開展了最早的侵入式運動腦機介面臨床試驗。兩根神經營養電極被植入患者主運動皮層，患者透過手部運動想象實現了腦控游標移動和打字。電極植入6個月後，患者仍能保持較高的打字速率和準確率。
神經營養電極植入的位置有限，為了獲取大腦皮層更多的神經活動訊號，密歇根電極和猶他電極在這一時期應運而生。密歇根電極透過微納加工工藝，在矽片上製作出一維和二維電極，能夠在更大範圍內採集神經訊號。微納加工工藝解決了傳統手工組裝電極尺寸不一致、相對位置變化等問題，使得試驗的重複性大大提升。
猶他電極是另一種基於微納加工工藝的侵入式腦機介面電極。相比密歇根電極，猶他電極的獨特結構和材料改進使其電學效能和機械結構更加穩定。21世紀初，猶他電極先於密歇根電極取得了FDA的臨床試驗許可，成為腦機介面電極的臨床標準之一。
三、快速發展期（2000年至今）
進入21世紀以來，隨著猶他電極獲得美國FDA的臨床試驗許可，侵入式腦機介面的臨床研究顯著加速。
2002年，布朗大學的約翰·多諾霍教授開發了一種腦機介面裝置，幫助一名中風患者透過意念控制機械臂，成功拿起水杯。
侵入式腦機介面在語言恢復方面也取得了顯著的進展。2021年，斯坦福大學的裡希納・謝諾伊教授團隊透過在一名手臂癱瘓患者的大腦運動皮層植入猶他電極，採集患者手寫字母的意圖訊號並轉化為文字。透過複雜的神經網路演算法，患者實現了每分鐘90個字母的書寫速度，並且準確率超過90%。
然而，伴隨著猶他電極在臨床上的初步功能性驗證，研究人員發現，猶他電極長期的電極植入會導致嚴重的免疫排斥，使電極逐漸失去記錄電訊號的能力，同時潛在影響大腦的健康。一個出人意料的試驗證據是，當猶他電極植入貓的大腦皮層後，隨著時間的推移，電極被覆蓋上了厚實緊密的結疤組織，甚至硬質的電極尖端出現了被腦組織“掰彎”的情況。
同時，侵入式電極面臨的另一個問題是，大腦會隨心臟搏動產生節律性的搏動，造成傳統硬質電極無法穩定在特定神經元周圍，不斷產生的位移影響記錄的穩定性。
侵入式電極的免疫排斥反應和位置的不確定性，促使研究人員開發新的電極材料與設計。迄今為止，研究人員一共積累了三種路徑，包括柔性電極、半侵入式電極及介入式電極。
如前所述，半侵入式電極和介入式電極顯著降低了免疫排斥，但在精確度及記錄的電訊號資訊量方面弱於侵入式電極。
柔性電極需要侵入大腦，採用微小的網狀或線狀結構，具備較高的韌性但材質甚至比神經元更加柔軟。理論上，柔性電極可以匹配神經元尺寸並附繞在其表面，因而能夠獲得高質量的神經元電活動訊號，同時能夠降低對於大腦的物理損傷。另一方面，腦機介面柔性電極的開發已超過10年，材料、電極加工工藝、電極的手術植入方案等不同方向仍在被科研和產業廣泛探索。柔性電極的免疫排異和長期人體植入安全性仍然有待長期的驗證。
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突破與平衡：對腦機介面商業化的思考
時至今日，腦機介面公司開始進入商業化階段。比如，在柔性電極領域，馬斯克參與創辦的Neuralink公司推出了採用微絲電極的腦機介面，其已經獲得FDA的臨床試驗許可。
可以說，腦機介面作為一項跨越神經科學、計算機科學和工程學的前沿技術，展現出極大的潛力，然而其商業化道路需要在獲益、風險、使用便利性及市場可及性等多方面取得突破和平衡。
侵入式和非侵入式腦機介面所面對的商業化難點有所不同。
安全性是侵入式腦機介面最主要的挑戰，包括開顱手術帶來的創傷、電極材料引起的免疫排異反應，以及大腦長期植入物的潛在風險。這些安全性問題不僅影響患者和臨床醫師的接受度，也使得腦機介面在申請審批時面臨挑戰。
非侵入式裝置安全性高，但目前多數裝置舒適性不足，限制人們的日常使用。因此，實現裝置的輕量、便攜和長期佩戴的舒適性是非侵入式腦機介面的重要發展方向。
腦機介面的差異化技術路線和應用場景的精準匹配是商業化的關鍵。
侵入式腦機介面主要針對一些難治性疾病或絕症患者，例如藥物難治性癲癇、漸凍症、全身癱瘓等。由於疾病的嚴重性，患者對手術風險的接受度較高，因而構成侵入式腦機介面的潛在市場，主要的應用方向是恢復或替代患者的運動功能，包括腦控游標移動、腦控外骨骼運動、腦控語言通訊等。然而，這類患者群體基數較小，導致商業化空間有限。
而面向精神疾病干預、情緒調控、學習和記憶力改善等場景往往有較大的使用人群，但他們對於手術風險的接受程度相對較低。因此，從長期看，非侵入式腦機介面更適配這些應用場景。
在視覺重建方面，患者人數較多，相比失明造成的生活質量下降，患者大機率能夠接受腦機介面植入手術的風險。因此，視覺重建可能會成為半侵入式和侵入式腦機介面有潛力的商業化應用方向。
從腦機介面的發展路徑看，腦機介面的商業化需要多種技術手段。
非侵入式、半侵入式、介入式腦機介面的臨床開發進度領先於侵入式腦機介面，但其功能迭代將越來越依賴侵入式腦機介面記錄的“原位”腦電資料。具體來看，針對難治性癲癇、帕金森病等腦疾病的侵入式治療器械，以及正在逐步進入臨床的針對漸凍症、全身癱瘓等重疾的侵入式腦機介面，將在中長期為完成複雜任務的非侵入式、半侵入式腦機介面的開發提供資料基礎，從而形成技術遞進式的商業化路徑。
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未來可以想象的腦機介面會有哪些？
未來的腦機介面應用前景廣闊，從視覺到情緒，再到記憶，腦機介面技術未來不僅限於運動和語言功能的恢復，更將全面提升人類的生活質量和認知能力。
一、腦脊介面
腦脊介面，又稱“神經電子橋”。腦脊介面的目標是透過大腦提取運動控制訊號，將電刺激施加於脊髓受損位置的下方，恢復病人的肢體功能。
腦脊介面實現的一個關鍵假設是，人對下肢運動模式的控制是由腰椎內的神經迴路完成的，人的大腦和小腦只是發出運動的起始、終止及調控訊號。比如，走路的起始、終止、距離、速度等由大小腦決定，而走路的連續運動姿態的控制演算法“存放”在腰椎裡。因此，腦脊介面的核心在於理解大小腦的意圖，並激活腰椎相應的運動模式，也就是建立“大腦運動意圖→脊髓背面的電刺激序列模式→脊髓內部運動神經元目標電活動模式序列”的關聯。
2021年，科學家透過腦脊介面幫助一隻癱瘓的猴子重新行走。透過持續的研究和改進，腦脊介面技術有望成為脊髓損傷患者恢復運動功能的重要手段。
▲透過腦脊介面可以幫助一隻癱瘓的猴子重新行走
影片來源：A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates，Nature, 2016, 539, 284
二、半侵入式語言腦機介面
語言腦機介面是專為無法說話的癱瘓患者設計的交流工具。腦幹中風、創傷性腦損傷、漸凍症等疾病可能會損害患者的運動神經，讓他們喪失口語表達的能力。儘管這些患者意識清晰，思維正常，卻無法進行語言或肢體溝通。半侵入式語言腦機介面透過在患者大腦皮層上安裝電極陣列，捕捉患者的意圖訊號並將其轉化為文字或語音，幫助他們重新表達需求。
三、提升感官認知能力腦機介面
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視覺腦機介面：目前已有3種視網膜假體獲得FDA批准，能夠幫助視力受損者部分恢復視覺，不過因為在眼部進行手術和刺激難度大，產品均已停售。直接在視覺皮層植入腦機介面，幫助後天失明的患者重新獲得視覺體驗，可能是唯一可行的方案，核心難點在於對明暗、方位、顏色、運動、深度等視覺基本資訊的組合，以及如何寫入人的大腦。 -
情緒調控的腦機介面：透過檢測和調控腦內的神經遞質水平，來干預患者的精神和情緒狀態，這在嚴重精神疾病治療上具有重大意義。 -
自體感覺腦機介面：為人造肢體提供真實的觸覺反饋，讓使用者更好地掌控假肢。 -
記憶力腦機介面：透過增強或調節多個腦區的同步活動來增強長期記憶力。
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腦機介面怎麼投？
總體而言，腦機介面的市場想象空間廣闊。無論是非侵入式還是侵入式、半侵入式、介入式腦機介面，在不同的行業發展階段，都具有適合的應用場景。透過臨床驗證是腦機介面走向商業化的首個里程碑，而臨床落地的場景需要權衡患者的風險和獲益，進而關注患者的使用便利性。
一、非侵入式腦機介面在商業端有了諸多嘗試
非侵入式的腦機介面這個方向，因為其安全性風險較小，在科研、臨床和商業端已有了諸多嘗試。
在讀腦這一側，受限於訊號的解析度，基於腦電訊號的產品研發的邊際有效性將會遞減，因而在科研和臨床端，融合腦結構、腦血氧、腦磁等不同訊號的多模態腦成像正成為研究的熱點。
而在商業端，產品使用便利性的提升和偏消費側應用的推廣將尤其受到企業關注。
在寫腦這一側，經顱電刺激、經顱磁刺激、時間干涉電刺激、經顱超聲刺激等，提供了在介觀至宏觀尺度，透過調控腦活動來理解腦功能的新思路。基於腦影像學的個性化、閉環神經調控可能是下一個發展方向。無創神經調控也將為侵入式腦機介面應用的開發提供更多“臨床前支撐”。
二、半侵入式、介入式腦機介面逐步來到產品化和商業化的拐點
在面向失能、失語癱瘓患者的醫療場景中，採用半侵入式、介入式的技術手段，開發腦控電腦互動、語言通訊的腦機介面等，以及運動康復的腦脊介面，已經有了可預期落地的全鏈條方案。這一類醫用腦機介面預期能夠平衡採集微觀至介觀尺度腦訊號的訴求和臨床的可接受程度，已經逐步來到產品化和商業化的拐點。
三、侵入式腦機介面仍處於行業早期階段
侵入式腦機介面的開發是一個需要持續研發和長期驗證的過程，目前仍然處於行業早期階段。微電極或微電極陣列是當前侵入式腦機介面開發的核心。微電極將提供唯一臨床可用的、覆蓋微觀（單一神經元）到介觀（預期百萬神經元量級）尺度的觀測手段。電極的開發，以及相應腦電解碼演算法和電刺激模式的創新，必然會推動臨床的進展。
侵入式腦機介面開發的重心將逐漸從電極轉向應用。一方面，侵入式電極中，柔性材料的免疫排斥反應和人體長期使用（比如FDA要求不可拆卸的侵入式醫療器械在體內至少安全存留10年）仍待長週期驗證，在這一階段主要的價值增長將嚮應用側轉移。另一方面，運動系統外應用的開發，比如感覺修復、情緒調控、高階認知等方向，存在較高的腦科學和演算法的專業壁壘，面向臨床可能是更大的價值所在。
所以，我們認為不論是臨床接受程度還是商業化價值的角度，非侵入式、半侵入式和介入式腦機介面的進展短期將領先於侵入式腦機介面，而隨著“原位”更精確的腦電資料的價值逐步凸顯和臨床風險的逐步釋放，侵入式腦機介面將成為行業中期必不可少的技術路線；長期看，侵入式腦機介面也將推動完成更復雜任務的半侵入式甚至非侵入式腦機介面的開發。前半程的價值增長在於人體腦資料的積累，後半程的核心價值在於應用的規模。
腦機介面已經不是科幻，也不是概念，它成為一個可感可投的領域。面向腦機介面的投資決策，一個思路是綜合考慮差異化技術路線的成熟度、落地場景的風險與獲益、應用的商業價值潛力等；另一個思路是以終為始地思考，在路徑上面尋找關鍵節點，關注垂直領域的價值增長。
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