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脑机接口总体愿景与关键技术研究报告

前 言

脑科学问题是人类社会面临的基础科学问题之一，是人类理解自然和理解人类本身的待深入探索领域，而脑机接口是有效探索手段之一。我们站在通往未知世界的伟大旅程起点上，探索大脑之途势必艰辛而具有挑战。在国家战略和顶层设计的引领下，在科技创新不断更迭促进下，在人民大众的期待关注下，脑机接口技术将在面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向人民生命健康的科技创新主战场上发挥重要作用。为此提出“脑智芯连，思行无碍”这一行业发展总体愿景，并针对此愿景目标的实现，尝试勾画出在不远的未来，脑机接口产业发展的蓝图和愿景期望。希望产业各方能够在此愿景描绘的不同场景下开展更多研究、开发、交流与合作，共同绘制脑机接口产业美好的未来。

研究过程中，我们开展了大量走访调研，就脑机接口系统的总体愿景目标、系统应满足的需求及关键指标、关键技术发展现状和趋势、脑机接口系统的应用场景和业界诉求等问题广泛征询专家学者意见，得到了行业多方的大力支持，并获得了大量有价值的第一手信息和观点。调研工作覆盖国内十多个省份的主要高校、科研机构和企事业单位，主要包括清华大学、天津大学、北京理工大学、昆明理工大学、杭州电子科技大学、电子科技大学、西安交通大学、上海大学、国防科技大学、中科院深圳先进院、中科院半导体所、之江实验室、博睿康科技（常州）股份有限公司、浙江强脑科技有限公司、山东海天智

能工程有限公司、浙江柔灵科技有限公司、西安臻泰智能科技有限公司、北京华脑技术发展有限公司、上海韶脑传感技术有限公司、中电云脑（天津）科技有限公司、无锡傲意科技有限公司、蓝色传感（北京）科技有限公司、上海念通智能科技有限公司、北京品驰医疗设备有限公司等，在此向所有专家提供的专业支持和宝贵建议致以衷心的鸣谢。

目 录

一、脑机接口系统的总体愿景 1

（一）脑机接口发展概述 1

（二）总体愿景 3

二、脑机接口系统应满足的需求及关键指标 5

（一）需求 5

（二）关键指标 8

三、脑机接口关键技术 15

（一）采集技术 16

（二）刺激技术 22

（三）范式编码技术 24

（四）解码算法技术 28

四、典型应用场景案例和需求 33

（一）脑状态检测 33

（二）神经调控 37

（三）对外交互 40

五、展望与建议 45

（一）未来展望 45

（二）发展建议 47

图目录

图1脑机接口系统的五大需求支撑愿景实现 4

图2脑机接口系统的关键指标 5

图3脑机接口关键技术 16

表目录

表1脑机接口系统的关键指标 8

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一、脑机接口系统的总体愿景

（一）脑机接口发展概述

大脑是我们思想、情感、感知、行动和记忆的源泉，大脑的复杂性赋予我们人类智慧，同时使我们每个人都独一无二。近年来，研究大脑认知的神经科学已经在分子细胞、关键元器件、软硬件开发、应用系统、仪器仪表等多方面取得进展和突破，使得脑机接口产业的商业应用逐渐成为可能。

脑机接口是指在有机生命形式的脑与具有处理或计算能力的设备之间，创建用于信息交换的连接通路，实现信息交换及控制。脑机接口按照信号采集方式不同主要分为植入和非植入两种技术路线。

植入式脑机接口是有创方式，是指对深入到颅骨以下的组织进行信号采集和记录。常见技术手段包括皮层脑电图（Electrocorticogram,ECoG）、单个神经元的动作电位（Spike）和局部场电位（localfieldpotential,LFP）。也有技术以介入为手段，以创伤性较小的方式将电极送入颅内血管来采集脑电信号。植入式脑机接口记录的信号时空分辨率高、信息量大，能够对复杂任务进行实时、精确控制。

植入式脑机接口技术主要应用在医疗领域，最有可能率先落地并带来市场收益的是神经替代、神经调控相关技术和产品。神经替代脑机接口技术是为了弥补特殊人群因器官损伤导致的信息收发能力缺损，采用脑机接口技术把感觉信息直接写入脑，或是将脑意图信息从脑内读出，解码后实现对外交互，完成意愿动作。神经替代脑机接口

技术国内外都已经进入科研临床阶段，主要针对感觉和/或运动神经损伤人员（如瘫痪、失语和失明患者）做基本功能替代或功能重建。神经调控脑机接口技术是进行精神状态实时解析并精准刺激调控脑内神经活动的异常状态。对记忆丧失、中重度抑郁、精神分裂、毒瘾戒断等病症来说，神经调控脑机接口技术比药物治疗更为精确高效。由于当前精神类疾病发作的理论模型尚未建立，且治疗靶点不明，因此神经调控脑机接口技术主要进行神经机理探索和治疗尝试，辅助提升此类病症的诊疗水平，还无法进行广泛临床治疗。

非植入式脑机接口采用无创采集技术在头皮表面或附近采集大脑响应信号。常用技术手段