腦機(jī)接口（BCI)的需求應(yīng)用分析

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，2000年代初，腦機(jī)接口（Brain Computer Interface, BCI）概念出現(xiàn)，試圖利用大腦和周圍神經(jīng)信息來幫助患者。近期，BCI已經(jīng)在探索突破醫(yī)療領(lǐng)域，在工業(yè)、軍事和消費(fèi)領(lǐng)域?qū)で髲V泛應(yīng)用。神經(jīng)科學(xué)、先進(jìn)微技術(shù)和可穿戴設(shè)備的快速普及相結(jié)合，推動(dòng)了創(chuàng)新型初創(chuàng)公司的涌現(xiàn)，以及公共或私人組織支持的一系列研究。Yole近期發(fā)布的《神經(jīng)技術(shù)和腦機(jī)接口-2018版》報(bào)告，重點(diǎn)分析了這些新技術(shù)、市場(chǎng)以及相關(guān)機(jī)構(gòu)。Yole專注于醫(yī)學(xué)影像和生物光子學(xué)技術(shù)和市場(chǎng)的分析師Marjorie Villien，最近有幸采訪了Brain Products前市場(chǎng)營銷總監(jiān)Patrick Britz，Brain Products是該領(lǐng)域開發(fā)神經(jīng)生理學(xué)研究硬件和軟件解決方案的主要機(jī)構(gòu)之一。讓我們一起了解他對(duì)神經(jīng)技術(shù)和BCI市場(chǎng)的看法。Marjorie Villien（以下簡(jiǎn)稱MV）：Brain Products為神經(jīng)技術(shù)研究和應(yīng)用提供各種設(shè)備。請(qǐng)您介紹一下貴公司在神經(jīng)技術(shù)和BCI領(lǐng)域的現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)。Patrick Britz（以下簡(jiǎn)稱PB）：Brain Products致力于為神經(jīng)技術(shù)和BCI相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家提供解決方案。這包括但不限于神經(jīng)適應(yīng)技術(shù)、生理計(jì)算、神經(jīng)人機(jī)工程學(xué)和共生相互作用等領(lǐng)域。所有這些科學(xué)研究都使用了基于大腦活動(dòng)測(cè)量的BCI技術(shù)。我們覆蓋了全方位的測(cè)量需求，從帶有活性凝膠電極的金標(biāo)實(shí)驗(yàn)室記錄到完全移動(dòng)和無線的有源干電極記錄。我們的設(shè)備可完整集成到上述研究中常用的開源工具。BCI+框架包括用于經(jīng)典神經(jīng)科學(xué)研究、用于大腦活動(dòng)在線分類和轉(zhuǎn)譯的工具，以及不同數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)同步記錄（來自大腦活動(dòng)和眼動(dòng)等其他生理測(cè)量），以及標(biāo)準(zhǔn)輸入方法或其他實(shí)驗(yàn)范例中生成的信息。MV：作為貴司產(chǎn)品組合的一部分，電極是腦成像神經(jīng)傳感技術(shù)的關(guān)鍵要素。濕電極和干電極以及有源電極和無源電極有哪些發(fā)展演變？或者它們?nèi)Q于不同的應(yīng)用？PB：是的，確實(shí)，電極是我們硬件解決方案中非常重要的組成部分。我們的產(chǎn)品組合包括神經(jīng)科學(xué)或神經(jīng)技術(shù)中常用的所有類型的電極，包括通過有源電極進(jìn)行記錄，提供盡可能高的記錄質(zhì)量，以及易于使用、甚至可用于fMRI掃描儀的無源電極。對(duì)于更加應(yīng)用導(dǎo)向的BCI+領(lǐng)域的研究，我們還提供干式、海綿和輕質(zhì)電極，甚至可以與我們的全移動(dòng)Live Amp系統(tǒng)一起使用。正如您提到的，這完全取決于應(yīng)用類型，哪種電極組更適合。因此，我們提供如此廣泛的電極，以滿足各種需求。

神經(jīng)傳感技術(shù)路線圖

MV：BCI仍然是一個(gè)小市場(chǎng)，2017年的市場(chǎng)規(guī)模僅為1.18億美元。不過，我們預(yù)計(jì)2017~2023年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）可以達(dá)到19%。什么應(yīng)用會(huì)成為殺手級(jí)應(yīng)用？PB：數(shù)十年來，整個(gè)BCI+領(lǐng)域一直在尋找所謂的“殺手級(jí)應(yīng)用”。但據(jù)我們所知，還沒有哪種應(yīng)用現(xiàn)在可以確定能成為殺手級(jí)應(yīng)用。我們認(rèn)為到目前為止的所有努力都在走向應(yīng)用，這些應(yīng)用可能首先針對(duì)高度專業(yè)化的工作環(huán)境，例如外科醫(yī)生、飛行員或卡車司機(jī)等。一旦這些領(lǐng)域從BCI技術(shù)中明顯獲益，那么就會(huì)為BCI技術(shù)的更廣泛應(yīng)用開啟新的大門，因?yàn)?，例如佩戴EEG系統(tǒng)的接受度將會(huì)普遍上升，那時(shí)，我們可能就會(huì)看到一直期待的“殺手級(jí)應(yīng)用”。

2017年~2035年神經(jīng)技術(shù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)

MV：Brain Products在積極開發(fā)下一代電極和無線系統(tǒng)，以滿足對(duì)BCI應(yīng)用的強(qiáng)勁需求。您能否更詳細(xì)地介紹一下過去幾年來的技術(shù)進(jìn)步，以及BCI領(lǐng)域的技術(shù)突破？PB：Brain Products提供各種不同類型的電極和放大器，可用于在不同環(huán)境中記錄腦電圖（EEG）。BCI相關(guān)領(lǐng)域，明確要求系統(tǒng)易于使用，并且對(duì)于實(shí)際用戶而言不會(huì)過于分散注意力，而且對(duì)于與用戶交互的其他人也是如此。因此，在這一領(lǐng)域顯然需要可以提供信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)異的輕量級(jí)移動(dòng)系統(tǒng)，幸運(yùn)的是，我們已經(jīng)可以提供這樣的系統(tǒng)。鑒于研究人員的需求一直在不斷發(fā)展和變化，Brain Products必須始終處于電極和放大器開發(fā)的最前沿，以滿足研究人員不斷增長(zhǎng)的需求。未來，預(yù)計(jì)會(huì)有更多的隱蔽系統(tǒng)，甚至可能記錄活動(dòng)中的人類大腦活動(dòng)，不需要與頭部發(fā)生任何身體接觸。不過，這顯然還有很長(zhǎng)的路要走。

MV：過去10年來，我們聽到了很多關(guān)于主動(dòng)式BCI技術(shù)的聲音，可以幫助閉鎖綜合癥患者重獲交流能力。這些技術(shù)非常有前景。但我們對(duì)被動(dòng)式BCI的了解較少，看起來這些技術(shù)也可能產(chǎn)生廣泛的影響。您能介紹一下關(guān)于被動(dòng)式BCI技術(shù)的可能應(yīng)用，以及正在開發(fā)的技術(shù)嗎？PB：與主動(dòng)式BCI相比，被動(dòng)式BCI不依賴于用戶直接發(fā)送到機(jī)器的有意識(shí)生成的命令。因而，被動(dòng)式BCI可以被視為一種在線用戶狀態(tài)評(píng)估，向機(jī)器提供反饋，然后機(jī)器可以根據(jù)其用戶的認(rèn)知或情感變化來調(diào)整自身及其動(dòng)作。主動(dòng)和被動(dòng)，是以用戶為中心的觀點(diǎn)產(chǎn)生的。主動(dòng)式BCI用戶必須主動(dòng)關(guān)注與機(jī)器的通信，而在被動(dòng)式BCI中，信息的傳送無需用戶進(jìn)行任何額外的動(dòng)作。在用戶和機(jī)器之間的閉環(huán)交互中，被動(dòng)式BCI通常建立一種輔助控制回路，提供附加信息以支持主控制回路。一個(gè)例子便是汽車中的駕駛員，當(dāng)駕駛員通過方向盤和其他標(biāo)準(zhǔn)輸入機(jī)構(gòu)直接與汽車交互時(shí)，被動(dòng)式BCI可以持續(xù)提供有關(guān)駕駛員對(duì)汽車的認(rèn)知負(fù)荷的信息。當(dāng)車輛在高速公路上獨(dú)自駕駛時(shí)，駕駛員認(rèn)知負(fù)荷低，這時(shí)汽車可以為駕駛員提供信息，例如讀出大量新電子郵件或推送的音樂；不過，在高認(rèn)知負(fù)荷，并且需要駕駛員充分注意的危急情況下，可能就不能這樣做，以防止為駕駛員造成任何形式的不必要的分心。最近，一項(xiàng)新的研究表明，被動(dòng)式BCI的使用不僅限于這種輔助控制回路。該研究表明，人們可以僅通過觀察和解釋其運(yùn)動(dòng)，有意圖地控制光標(biāo)。

他們并不知道他們對(duì)個(gè)體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)知反應(yīng)是通過被動(dòng)BCI評(píng)估的，以告知光標(biāo)的方向選擇，但光標(biāo)仍然找到了方向。這描述了一種基于被動(dòng)BCI的神經(jīng)適應(yīng)技術(shù)的例子，這是一種新型技術(shù)，這時(shí)人類更多地忙于提供高等級(jí)的基于情境的解釋，而機(jī)器在這些信息的指導(dǎo)下正在進(jìn)行實(shí)際工作。這種情況下，人類并沒有將自己的想法轉(zhuǎn)化為機(jī)器的命令。這是由被動(dòng)BCI自動(dòng)完成的，可實(shí)現(xiàn)人類和機(jī)器智能的融合。在我們看來，神經(jīng)適應(yīng)技術(shù)是未來BCI研究和BCI應(yīng)用的明確途徑。MV：貴司正積極研究移動(dòng)腦體成像（MoBI）——使用EEG和近紅外光譜作為一種新的成像模式，來研究人們移動(dòng)時(shí)的大腦活動(dòng)。您能詳細(xì)介紹一下這種成像模式嗎？PB：MoBI最初是在加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）Swartz計(jì)算神經(jīng)科學(xué)中心（SCCN）由Scott Makeig博士領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的。目前，世界各地的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室都參與了這一技術(shù)的研究。MoBI專注于研究在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行自然活動(dòng)的人類的心理生理學(xué)腦激活。其研究覆蓋了不受限于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的人類大腦研究的神經(jīng)科學(xué)，再到面向應(yīng)用的研究，如BCI，旨在評(píng)估現(xiàn)實(shí)環(huán)境中大腦活動(dòng)的信息。我們認(rèn)為在這些類型的研究領(lǐng)域具有相當(dāng)大的潛力，因?yàn)樾碌臑V波技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可以處理通常需要通過高度控制的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境抑制的噪聲和偽影。除了這些技術(shù)之外，硬件本身的發(fā)展（更緊湊、便攜和完全移動(dòng)化），也促進(jìn)了這些研究。這使得研究人員能夠從全新的角度研究大腦活動(dòng)，對(duì)我們的大腦如何工作提出新的見解，并帶來可以使我們的生活更安全、更舒適和更高效的新技術(shù)。出于這個(gè)原因，我們積極支持MoBI領(lǐng)域的研究，例如我們兩年一度的MoBI獎(jiǎng)。MoBI研究人員可以將他們發(fā)表的研究成果發(fā)送給獨(dú)立的科學(xué)家委員會(huì)進(jìn)行評(píng)審。其中，前三個(gè)評(píng)價(jià)最好的研究成果將獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)，這將有助于他們更好地實(shí)現(xiàn)科研目標(biāo)。今年的獲獎(jiǎng)?wù)邔@得Live Amp系統(tǒng)，這是我們的一款完全移動(dòng)的EEG記錄硬件。

MV：最后，您還有什么想對(duì)讀者補(bǔ)充的結(jié)語嗎？PB：是的，我們認(rèn)為機(jī)器學(xué)習(xí)和信號(hào)處理新方法的發(fā)展，開辟了一個(gè)全新的科學(xué)研究世界，因?yàn)榇竽X活動(dòng)可以在現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境中進(jìn)行即時(shí)評(píng)估和解釋。這使我們能夠更好地學(xué)習(xí)和理解大腦如何工作，以及如何利用這些信息來支持我們與技術(shù)的日?；?dòng)。目前，很難看到這些新發(fā)展的全部潛力。在Brain Products，我們通過支持這項(xiàng)喜人的新研究，積極致力于為這一領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。我們希望可以激勵(lì)任何對(duì)此研究感興趣的科學(xué)家與我們聯(lián)系，看看我們能提供哪些幫助。