腦機接口馬斯克開出的又一味未來藥方

彭丹妮

繼電動汽車特斯拉、發(fā)射衛(wèi)星與可回收火箭的SpaceX及超級高鐵Hyperloop之后，身兼商人和未來主義者的億萬富翁伊隆·馬斯克，最近又把目光瞄準了腦機接口技術(shù)。

“任何有關(guān)于人工智能發(fā)展速度的預測，都指向其將超越人類?！瘪R斯克2016年曾表示，對此，這位“硅谷鋼鐵俠”提出的解決方式是在人類大腦中加入一層人工智能，讓人類與機器更快更直接地通信，在另一種意義上實現(xiàn)“進化”。次年，馬斯克宣布啟動一個新公司：Neuralink。

低調(diào)進行研究兩年后，在今年7月17日的一場互聯(lián)網(wǎng)直播首秀中，Neuralink公司帶來了其最新的腦機接口技術(shù)。這款系統(tǒng)用長得像縫紉機一樣的機器人，向大腦中植入超細柔性電極來監(jiān)測神經(jīng)元活動，并將信號傳導至外部機器，實現(xiàn)人機交互。馬斯克表示，希望Neuralink可以幫助治療腦部疾病，保護和增強人類的大腦，并最終將人類與人工智能融合在一起。

賽博朋克是科幻小說的一個分支，情節(jié)通常圍繞黑客、人工智能及大型企業(yè)之間的矛盾而展開。Neuralink新腦機接口系統(tǒng)的發(fā)布，甚至引發(fā)了人們對于賽博朋克時代提前來臨的討論：《黑客帝國》《超驗駭客》等科幻電影中描繪的人機共生的震撼未來是否將要登場？

對此，美國匹茲堡大學研究腦機接口的神經(jīng)生物學教授Andrew Schwartz告訴《中國新聞周刊》，我們對于腦科學知之甚少，科幻作家們描繪的世界不過是一種猜測;在可以預見的20年內(nèi)，如果這種技術(shù)能夠應(yīng)用于人體，那么最實際的可能性是在醫(yī)療領(lǐng)域。

站在巨人的肩膀上

Neuralink并不是第一家也不是唯一一家腦機接口（BCI）領(lǐng)域的掘金者，早在1990年代，BCI就已成為研究熱點。迄今為止，人與機器之間的溝通形式一直僅限于手工輸入和語音交互，科研人員設(shè)想借助腦機接口，開辟人機之間一個全新的交流方式——通過大腦向機器直接發(fā)指令，即用意識控制機器。

Neuralink公司長得像縫紉機的手術(shù)機器人。（左下圖）“縫紉機”機器人將電極線植入到大腦中。圖/Neuralink

就像一個無線遙控器一樣，大腦的運動皮層指揮軀體的行動。擅長以幽默的文風闡釋復雜問題的寫作者Tim Urban解釋，基于運動皮層的腦機接口的目的，就是當這個遙控器發(fā)出一些命令的時候，腦機接口能夠收集到這個命令，將其傳達給比如假肢、機械或計算機。神經(jīng)連接你的運動皮層和你的手，而腦機接口就負責連接你的運動皮層和一臺計算機，就是這么簡單。

實現(xiàn)大腦信號收集與傳達的過程，要涉及一系列工程難題。比如，打開顱骨插入電極的侵入式接口。雖然有探測神經(jīng)元信號質(zhì)量較高的優(yōu)點，但也存在感染風險、生物相容性差等問題。2006 年，一位脊髓麻痹患者接受了BCI 植入，他可以控制電腦鼠標，甚至玩游戲。從那以后，作為科學研究的一部分，陸續(xù)有癱瘓病人在實驗室實現(xiàn)機器人手臂移動等動作控制。

他們使用的系統(tǒng)均為BrainGate，是世界上第一個類似的腦機接口系統(tǒng)，由布朗大學開發(fā)?？蒲腥藛T將一種名為“猶他陣列”的電極列陣植入癱瘓病人的運動皮層。當病人想要抬手或做其他活動時，電極便可檢測到被這些意圖激活的神經(jīng)元，然后將信號傳導給機器，讓其完成對應(yīng)命令。

BrainGate系統(tǒng)中使用的猶他電極是一組堅硬的針，最多適用于 128 個電極，使用起來就像往大腦里扎進一個刺猬，對人體不夠友好。這種材質(zhì)在長期使用中還會逐漸暴露出弊端，比如，大腦在顱骨內(nèi)可以自由移動，但針無法隨之移動，日積月累的磨損最終會導致接口損壞。

近來，根據(jù)動物實驗的結(jié)果，最先進的電極是比利時公司Imec研發(fā)的神經(jīng)像素，上面集成了960個記錄位點，可以一次收集成千上萬個腦細胞的數(shù)據(jù)，不過這只是單根電極，無法實現(xiàn)記錄的廣度。

傳感器組示意圖：固定在顱骨上的若干個傳感器，一邊連接植入顱內(nèi)運動皮層或者軀體感覺皮層的電極線，從大腦內(nèi)捕獲信息，一邊連接放在耳后的外部接收器。圖/Neuralink

相較而言，Neuralink使用的這套系統(tǒng)在96根電極線上掛滿3072個觸點，比以往的腦機接口技術(shù)能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)。更妙的是，這種電極線由薄而柔韌的聚合物材料制造，柔軟而靈活，且直徑僅約為人類頭發(fā)的四分之一。這些電極線就像一串串珍珠，只不過在這條導電線上串起來的是一系列微小電極和傳感器，它們可從大量細胞中捕獲信息并將其無線發(fā)送到計算機以供分析。

這些柔性電極都會被埋藏在皮質(zhì)中，隨著大腦浮動，所以不用擔心像“鋼針”般的猶他陣列那樣會劃傷大腦組織的問題，由于這些高分子細線足夠靈活，隨大腦的位移也不會磨損自身。一位生物科學領(lǐng)域的教授接受《紐約時報》采訪時評論稱，Neuralink線程的靈活性的確是一個進步，不過，研究人員仍然需要證明這種電極線可以在大腦環(huán)境中長時間生存，因為這種環(huán)境中的鹽溶液會使許多塑料變質(zhì)。

靈活與柔軟也意味著植入難度的大幅升級。對此，Neuralink 帶來了第二項重要突破——可以每分鐘自動插入 6 根線程（192 個電極）的“神經(jīng)外科機器人”。這個機器人很像顯微鏡和縫紉機的混合體，它使用的所謂計算機視覺系統(tǒng)，能夠閃避大腦血管的位置，減少大腦炎癥反應(yīng)的產(chǎn)生;工作起來就像縫紉機一樣，將一根根電極快速而安全地植入到大腦皮層中。據(jù)媒體報道，“縫紉機”機器人已在19個動物中植入電極，87%的試驗是成功的。

還有一個棘手的問題是，電極記錄到的信號非常微小，且大腦內(nèi)的環(huán)境比較復雜，存在各種噪音。發(fā)布會當晚，Neuralink在生物學預印論文網(wǎng)站biorxiv上發(fā)布了學術(shù)論文，透露了更多細節(jié)。文章指出，他們研發(fā)了一種定制化集成電路，可以更好地讀取、過濾和放大所收集的信號。該芯片還設(shè)計了一種特殊處理單元 ，能夠單獨對每個通道進行預處理，并將最后記錄到的細胞膜表面電位轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

不過，目前數(shù)據(jù)的傳輸只能通過有線連接。該團隊希望最后能夠通過將一種傳感器芯片植入人體來實現(xiàn)無線操作。具體來說：Neuralink打算在大腦四個區(qū)域植入傳感器，三個位于運動皮層，一個位于軀體感覺皮層，然后在耳后放置一個外部接收器，并可以通過蘋果手機APP控制。

有專家認為，這次發(fā)布體現(xiàn)了整體解決方案上高水平的綜合集成，多項技術(shù)都在以往基礎(chǔ)上有了長足的進步。據(jù)《麻省理工科技評論》報道，柔性電極并非該團隊首創(chuàng)，而是利用得克薩斯大學奧斯汀分校 Chong Xie 等人開發(fā)的技術(shù)，不過，Neuralink解決了從植入到后期信號處理的一套流程。

賽博朋克遠未到來

馬斯克擅長將看似天馬行空的想法付諸實踐并推動技術(shù)的商業(yè)化。Neuralink主席霍達克在發(fā)布會上表示，起初，他也不確定這個技術(shù)是個好想法，但馬斯克最終讓他相信這是可能的。在成立之初，馬斯克會見了1000多人，最終招募了神經(jīng)科學領(lǐng)域、腦外科、臨床試驗等眾多領(lǐng)域著名學者到其麾下工作，包括美國國家實驗室的工程師與柔性電極專家 Vanessa Tolosa、主要負責腦機接口算法的美國加州大學舊金山分校教授 Philip Sabes等。馬斯克也指出，這場發(fā)布會的主要動機是招募，讓更多的人才加入到Neuralink來。

不過，Neuralink并非這一技術(shù)領(lǐng)域的唯一玩家，事實上，它面臨的競爭對手不在少數(shù)。據(jù)《華爾街日報》2017年報道，F(xiàn)acebook 新的秘密項目向腦機接口工程師和神經(jīng)科學家發(fā)布了招聘信息;美國國防高級研究計劃署（DARPA）也計劃在 4 年內(nèi)投資 6000 萬美元開發(fā)植入式神經(jīng)接口技術(shù)，Neuralink推出的縫紉機器人也是由該部門所開發(fā)。

美國匹茲堡大學腦機接口研究學者Andrew Schwartz指出，這項技術(shù)涉及的眾多組件，別的團隊也同時在研發(fā)，但比起他們，Neuralink的一大壓倒性優(yōu)勢非常實在：錢包充裕，而且能有效地推進他們的研究。不過最后能做出怎樣的成果，他表示還有待繼續(xù)觀望。

Neuralink由馬斯克成立于2017年，總部位于美國硅谷，目前擁有約 90 名員工，迄今為止已經(jīng)融資 1.58 億美元，其中至少有1億美元來自CEO馬斯克。據(jù)美國證券交易委員會（SEC）的文件顯示，今年5月，Neuralink 完成了此前 5100 萬美元輪次融資中 3900 萬美元的入賬。

Andrew Schwartz表示，這次馬斯克團隊推出的科技主要是機械方面的創(chuàng)新，與科學不沾邊。過去類似的系統(tǒng)已經(jīng)被證明具有幫助人們恢復行動能力的潛力，但是龐雜的、不便于移動的各式設(shè)備限制了這種方法走出實驗室。而現(xiàn)在，Neuralink則在硬件上進行創(chuàng)新，包括提高神經(jīng)元的記錄數(shù)量、將電極微型化處理，并通過無線方式替代人機之間的傳輸線，最終讓那些日常依賴這類設(shè)備的人群更有可能常規(guī)使用。一言以蔽之，這些創(chuàng)新讓規(guī)?；褂贸蔀榭赡堋?/p>

美國南加州大學神經(jīng)生物學系助理教授Andrew Hires告訴《中國新聞周刊》，Neuralink提供的解決方案尚未被應(yīng)用到人體身上，如果成功用于人類，將會是當前該領(lǐng)域最為先進的技術(shù)?！熬拖駥崿F(xiàn)了標準清晰度向高清電視機的飛躍，不過還遠遠達不到4K/8K級超高清電視的水平?！?/p>

“這一方向的技術(shù)進步將有力推動腦科學的研究。以毫秒量級的時間分辨率同時觀察并調(diào)控成千上萬個神經(jīng)元的活動，將可能帶來腦科學研究范式的變化，從以往注意單個或是較少數(shù)量神經(jīng)元的研究，轉(zhuǎn)變到理解大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動與信息處理和腦功能的關(guān)系上來?！敝锌圃鹤詣踊Ｊ阶R別國家重點實驗室副主任、腦網(wǎng)絡(luò)組北京市重點實驗室副主任余山在接受媒體采訪時如此評價。

2017年，Tim Urban在Neuralink團隊的幫助下，專門寫了一篇關(guān)于腦機接口的長文。他在文中指出，Neuralink依然面臨諸多挑戰(zhàn)，比如，如何處理人腦浩瀚的信息量——對于思想來說，幾百個電極遠不足以用來交流除了最簡單的信息之外的東西。當談到心目中那個能夠改變世界的腦機接口的時候，Neuralink團隊給出的數(shù)字是“同時記錄一百萬個神經(jīng)元”。

在公司剛剛成立時，有報道稱 Neuralink 的第一批產(chǎn)品會被應(yīng)用于治療腦疾病，如癲癇或重度抑郁癥。中科院半導體研究所研究員王毅軍近日接受媒體采訪時表示，目前來看Neuralink公司的腦機接口系統(tǒng)更像一套通用的平臺工具，既可以用來診療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，也可以用來實現(xiàn)通訊控制，又可以用來進行神經(jīng)科學研究?？梢愿鶕?jù)具體用途來確定電極該植入大腦的哪個區(qū)域。

霍達克則表示，希望有朝一日——或許是不久的將來，Neuralink能夠幫助人類擺脫一系列疾病，例如幫助癱瘓病人恢復行動能力或幫助人們聽、說、看。該公司希望通過美國FDA的批準，爭取最早于明年開始人體臨床試驗;該團隊的腦外科醫(yī)生Matthew MacDougall則表示，安全性是一個非常重要的目標，最終他們希望這項技術(shù)就像激光眼科手術(shù)一樣可靠。