脑机接口发展历史及应用场景梳理

以脑机接口的基础理论及应用里程碑为标准，脑机接口的发展 可以分为三个阶段：

学术探索期（20世纪20年代–70年代）1924年德国精神医学家Hans Berger首次检测发现了脑电波 （Electroencephalogram, EEG），为大脑研究奠定了基础；发现了脑电分析重要指标，即脑电图、与大脑不同状态相关的 α波和β波。

科学论证期（20世纪70年代–2000年）1970 年美国国防高级研究计划局（DARPA）开始组建团队研究 脑机接口技术；1973年首篇以“脑计算机通讯”命名（brain-computer communication）的论文；1998 年 Emory 大学的 Philip Kennedy 和 Roy Bakay 以侵 入式脑机接口协助脑干中风患者控制电脑光标，布朗大学同年 实现电脑芯片和人脑连接的 BrainGate 技术；1999 年和 2002 年两次脑机接口国际会议的召开为脑机接口 技术的发展指明了方向。应用实验期（2000年–至今） ü 进入21世纪后，随着神经科学与相关技术的不断突破，脑机接 口技术开始快速发展，脑机接口技术进入科学论证阶段。

脑机接口技术市场应用广阔。随着计算机科学、神经生物学、数学、 康复医学等相关学科的不断探索与交叉融合，脑机接口技术正从基础 科研走向市场。一方面，对脑机制的根本理解可为脑疾病带来新型疗 法，另一方面，业界认为未来10-15年或将出现新一代交互方式，用意 念控制机器、脑控开关等都将会成为现实，在医疗、教育和消费品等 市场应用潜力巨大。预计未来市场规模发展潜力大。根据Mckinsey于2020年出具的研究报 告，预计脑机接口相关市场规模在2030-2040期间可达700亿-2,000亿 美元。

脑机接口在医疗健康领域的应用。脑机接口技术在医疗健康领域有广阔的应用前景。脑机接口技术可以直接实现大脑与外部设备的交互，跨越常规的大脑信息输出通路，在医疗健康领域应用 场景广泛。同时，随着现代医学对大脑结构和功能的不断探索，人类已经对运动、视觉、听觉、语言等大脑功能区有了较为深入的研究，那么通过脑机接口 设备获取这些大脑区域的信息并分析，在神经、精神系统疾病的体检诊断、筛查监护、治疗与康复领域拥有广泛的应用。 医疗健康领域是目前脑机接口最大的市场应用领域，也是增长最快的领域。

脑机接口在其他领域的应用。教育领域：脑机接口技术在教育领域的应用包括注意力监测、压力监测、教学设计、智能学习和记忆增强，甚至会颠覆现有教育模式。 清华大学心理学系和教育研究院联合团队已经研究发现，数学期末考试中可以记录到与学生数学焦虑特质显著相关的神经生理标志物， 基于脑机接口技术和神经反馈技术，可以通过调控该神经生理标志物缓解和改善学生的数学焦虑。其他领域：被动式脑机接口技术在应急管理部门、安防、电力、铁路、交通等行业也具有广阔应用前景。其中疲劳监测是热点方向。澳 大利亚的 SmartCap 公司生产的智能帽可实时采集驾驶员（尤其是采矿、物流、客运等专业司机）的脑电信号并分析，从而判断驾驶员 的疲劳状态。

脑机接口企业的增长数量加速，脑机产业迈入蓬勃发展阶段。目前全球提供脑机接口产品和业务的公司有两百余家，主要集中在美国和 中国。在 2014 年以后，由于脑机接口技术成熟度提升，产品和服务广泛被市场接受,不断有新公司进入该领域，目前每年新增公司超 过10家，明显高于2014年前水平。全球脑机接口专利申请近些年加速增长，成果转化践行积极。2010年至2021年期间，脑机接口的有效发明和实用新型专利许可量达到一 百余件，2015年开始许可活动逐渐活跃，年许可量接近10件，一定程度体现出技术逐步走出实验室，向产业应用落地。

脑科学和类脑研究已成为我国国家战略。2016年我国启动中国脑计划——脑科学和类脑科学研究。在十四五规划和 2035 年远景目标纲 要中，人工智能和脑科学为国家战略科技力量，规划中进一步指出需要加强原创性和引领性科技攻关，集中优势资源攻关科技前沿领域。 我国脑计划分为两个方向：1）以探索大脑秘密并攻克大脑疾病为导向的脑科学研究；2）以建立并发展人工智能技术为导向的类脑研究。具体研究框架为脑科学研究指明方向。2017 年四部委联合印发《“十三五”国家基础研究专项规划》明确提出了脑与认知、脑机智能、 脑的健康三个核心问题。目前的布局可用“一体两翼”来概括，即以研究脑认知的神经原理为“主体”，其中又以绘制脑功能联结图谱 为重点，而研发脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”。

脑电信号采集方法有待改进。1）侵入式接口最大的挑战是手术如何将对脑部的损伤降到最低，并且随着植入时间延长，穿刺电极被炎 症细胞包裹，会导致信号缺失；2）非侵入式信号较差，脑电信号采集过程中，夹杂着不少干扰成分，如肌信号干扰等，因此设计抗干 扰能力强的脑电信号采集设备等问题有待解决。软件系统稳定性、自适应性较差，信号处理方式和信息转换速度有待提升。目前，脑机接口系统的最大信息转换速度可大于300 bit/min，此速度与正常交流时所需的速度存在差距。如何改善信号处理方法使之系统化、通用化，从而快速、精确、有效地设计出实 用脑机接口系统的问题也有待研究。