脑机接口总体愿景与关键技术研究报告（2022年）

No.202217 中国信息通信研究院 2022年11月 脑机接口总体愿景与关键 技术研究报告 (2022年) 版权声明 本报告版权属于中国信息通信研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 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 脑机接口总体愿景与关键技术研究报告（2022年） 1 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（local field potential, 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 脑机接口总体愿景与关键技术研究报告（2022年） 2 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。常用技术手段包括脑电图（electroencephalography, EEG）、功能近红外光谱（Functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）、脑磁图（magnetoencephalography，MEG）、 功能核磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）。非植入式脑机接口由于安全无创，因此得到了广泛的研究与产业应用，但受限于在脑外采集信号的强度与噪声干扰，目前可实现的脑机交互性能有限。 非植入式脑机接口技术可应用在更广泛的生活生产领域，正逐步在康复训练、教育娱乐、智能生活、生产制造等众多方面为人类带来福祉。产业界在非植入脑机接口领域普遍重视面向产业和 消费领域的研究，配合虚拟现实、增强现实、眼动仪、外骨骼等外设，利用非植入式脑机接口系统开展多场景应用探索，如：运动康复训练；利用用户脑波创造音乐和控制电器；利用用户情绪识别数据个性化推荐用户 脑机接口总体愿景与关键技术研究报告（2022年） 3 潜在喜好产品；对用户情绪进行识别感知以提示预警，从而实现疲劳驾驶提醒和安全生产等等。 脑机接口已成全球科技前沿热点，在面向未来的科技创新发展中占有重要地位。世界主要国家和地区都在加快脑机接口产业布局，积极开展相关技术研发。脑机接口技术也将带动和引发其他技术的未来发展。脑机接口技术是人与机器、人与人工智能交互的终极手段，也是连接数字虚拟世界和现实物理世界的核心基础支撑技术之一，同时其与量子计算、云计算、大数据等信息通信（ICT）技术的结合将成为各领域新的重要研究方向。可以确定地说，受益于技术的不断革新与突破，脑机接口将会显著提升人类生活质量。 （二）总体愿景 脑科学问题是人类社会面临的基础科学问题之一，是人类理解自然和人类本身的“终极疆域”，而脑机接口是破解该“终极疆域”的有效手段之一。在国家战略的积极推动下，在科技创新不断更迭促进