腦機(jī)接口系統(tǒng)，能否夢(mèng)想成真？

人腦植入芯片的研發(fā)源自Neuralink公司，它致力于神經(jīng)技術(shù)研究，開發(fā)的產(chǎn)品相關(guān)傳說中的BMI腦機(jī)接口，通俗地說，就是把人腦和芯片連接起來。這家公司屬于現(xiàn)代版鋼鐵俠馬斯克的企業(yè)，按照他本人的說法，短期內(nèi)公司要解決的是一些人類疾病或醫(yī)療相關(guān)的問題，而終極目標(biāo)則是人類增強(qiáng)，或者叫超人類主義（transhumanism）。

Neuralink開發(fā)了某種芯片及配套解決方案，通過一種非常細(xì)且密集排布的線（thread）連接到大腦上。在Neuralink描繪的概念圖里，芯片本身會(huì)以可穿戴設(shè)備的形式掛在人耳上。這顆芯片會(huì)連接至一些傳感器——傳感器就放在腦殼上，這些傳感器再穿透頭蓋骨，通過很多條線連接到大腦皮層。

這套方案實(shí)際要解決的問題是非常多的，而Neuralink這次宣布的技術(shù)主要集中在到底用何種線材，怎么把這些線“插”進(jìn)大腦中去，以及芯片和軟件大致該做些什么。這方面的研究，實(shí)際不光是Neuralink在做，過去臨床醫(yī)療領(lǐng)域就有不少的嘗試。

系統(tǒng)包含三個(gè)組成部分：極為精細(xì)的聚合物探針（插到大腦中），一臺(tái)神經(jīng)外科機(jī)器人（專門負(fù)責(zé)插線），以及外部的芯片和配套方案（Neuralink稱其為定制化的高密度電子技術(shù)）。那么這種技術(shù)究竟有什么用呢？核心就是“在大腦和機(jī)器之間傳輸高保真的信息”，作用肯定不是用意念發(fā)電或變超人這么玄幻，典型的比如說神經(jīng)義肢控制機(jī)械臂，還有人工語音合成之類，讓截肢者可以重新走路，讓語言障礙人士能借助外部設(shè)備重新說話——現(xiàn)有的一些研究成果就有這樣的方案。

另外就醫(yī)學(xué)研究來看，針對(duì)大腦的不同位置、不同深度，比如負(fù)責(zé)語言、視覺、聽覺、運(yùn)動(dòng)等部位進(jìn)行“插線”操作，本身也都是有價(jià)值的，對(duì)于人體和大腦研究都是重要的技術(shù)成果產(chǎn)出。至于社交網(wǎng)絡(luò)上渲染的科幻小說級(jí)別的成果，咱還離得有點(diǎn)兒遙遠(yuǎn)。

在已經(jīng)發(fā)表的paper中，Neuralink演示了現(xiàn)有成果應(yīng)用到一只實(shí)驗(yàn)鼠身上，下圖右邊的這只實(shí)驗(yàn)鼠頭上有個(gè)USB-C口，3072個(gè)電極也就有3072個(gè)通道傳輸（似乎在實(shí)驗(yàn)中嘗試植入44根線，但只成功了40根，也就是實(shí)際成功插入這只實(shí)驗(yàn)鼠腦中的總共應(yīng)該是1280個(gè)電極），不知道這個(gè)USB接口的具體傳輸規(guī)格如何。左邊這張圖就比較恐怖了，是手術(shù)期的一張照片，展示了這只實(shí)驗(yàn)鼠腦皮層表面，其上植入的這些線。

這是一只Long-Evans鼠，Neuralink在paper中強(qiáng)調(diào)他們的實(shí)驗(yàn)完全符合《實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物關(guān)懷與使用指導(dǎo)原則》。

我們首先來了解一下這個(gè)USB接口部分。實(shí)際上從外部能夠看到的USB接口，直接就連接著一套電子相關(guān)的解決方案，即接口下方的部分——這部分肯定不需要植入到大腦內(nèi)部，未來如果真的應(yīng)用于人腦理論上也不會(huì)是這種形態(tài)。所以它本質(zhì)上是個(gè)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，其完全體是下面這樣的：

A為可處理256個(gè)數(shù)據(jù)通道的ASIC，總共有12個(gè)ASIC，一共處理3072個(gè)通道;B就是聚合物線了，只不過這里放在了parylene-c基板上，在這些線插入大腦以前需要這層膜;C為鈦金屬材料的外圍;D是數(shù)字USB-C連接器。

電極（electrode sites）就將大腦信號(hào)傳輸?shù)竭@個(gè)模塊上。這個(gè)模塊設(shè)計(jì)的難點(diǎn)包含了多個(gè)方面，一部分是因?yàn)樗枰L期進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，所以就連封裝也有較高的要求?？紤]到記錄通道眾多，這就要求信號(hào)放大、數(shù)字堆棧整合到同一個(gè)陣列上。這個(gè)模塊的工作包含了放大神經(jīng)信號(hào)（<10 Vrms），同時(shí)過濾帶外噪聲，將放大的信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。由于是穿戴的，所以功耗和尺寸也都必須要小。

實(shí)際上，就Neuralink的技術(shù)來說，上面的芯片相關(guān)部分算不上是重點(diǎn)，真正的重點(diǎn)在于前端連接大腦皮層的部分，也就是“連接線”和植入線的那臺(tái)機(jī)器。

“縫紉機(jī)”機(jī)器人

先來說說連接所用的“線材”和接頭，Neuralink專門開發(fā)了生產(chǎn)神經(jīng)探針的生產(chǎn)工藝，需要用到高吞吐的生產(chǎn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)“晶圓級(jí)別的微生產(chǎn)工藝”。這樣一來，探針在插入到大腦以后可以確保很小的位移，其上用了多種具備生物相容性的薄膜（thin film）材料。主要的基質(zhì)和電介質(zhì)材料為聚酰亞胺（就是近期日本宣布禁止對(duì)韓國出口的一種半導(dǎo)體原材料），每個(gè)薄膜陣列包含了兩部分，分別是“線”區(qū)和“傳感”區(qū)。線區(qū)很容易理解，就是電極觸點(diǎn);傳感區(qū)則是連接前文提到芯片的部分了。

這里所謂的薄膜“陣列”，每個(gè)陣列實(shí)際就包含了48或者96根線，每根線又有32個(gè)獨(dú)立的電極。這么做是為了讓線的截面足夠小，這樣一來也就讓大腦組織的位移最小化了，其間需要用到步進(jìn)式光刻（stepper lithography）和其他微生產(chǎn)工藝，這樣通道數(shù)量才會(huì)比較密集。

Neuralink設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了超過20種不同類型的線和電極，寬度從5μm到50μm不等，厚度一般為4-6μm——包含了三層絕緣層和兩層導(dǎo)通層，長度大約為20mm。上面展示的是其中兩種。每根線頂端是16μmx50μm的一個(gè)圈，是為了讓“縫紉機(jī)”針頭“引線”的。另外還有針對(duì)較小的幾何表面積，增加有效電荷負(fù)載能力，采用PEDOT：PSS和氧化銥也都是個(gè)中生產(chǎn)的細(xì)節(jié)。

那么Neuralink的這種“柔性”線又怎么直接插到大腦里面呢？顯然它不夠硬，所以就需要有個(gè)專門負(fù)責(zé)插線的裝置來做這件事。這也是Neuralink開發(fā)“縫紉機(jī)”的原因。有關(guān)“縫紉機(jī)”本體，也就是所謂的神經(jīng)外科機(jī)器人，這部分應(yīng)該是Neuralink的核心技能。

這臺(tái)外科手術(shù)機(jī)器人的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于效率比較高，就是“縫紉”速度比較快，每分鐘可以植入6根線，每根線的精度也是微米級(jí)別的。

這臺(tái)機(jī)器人的核心技術(shù)在于，頭部位置有一個(gè)成像系統(tǒng)，引導(dǎo)插針進(jìn)到線材頭部的環(huán)中，還有目標(biāo)確認(rèn)等作用。頭部包含了6個(gè)獨(dú)立的光模塊，分別都能獨(dú)立發(fā)出405nm、525nm和650nm或白光，這些都是用于插針各種微米級(jí)定位操作的。還有集成的軟件能夠規(guī)劃插入路徑，并且確保線不會(huì)糾纏或者過緊。全套的這種計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，還能避開大腦表面的血管，把線插進(jìn)去。

另外就是不僅支持自動(dòng)化操作，而且也可以由醫(yī)生來全手動(dòng)操作進(jìn)行微調(diào)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，Neuralink總共用它執(zhí)行了19次手術(shù)操作，植入成功率在87.1±12.6%，好像問題還比較大。

前面看到的只是針對(duì)實(shí)驗(yàn)鼠的一套解決方案，未來如果真正應(yīng)用到人腦，接線數(shù)量和處理算力預(yù)計(jì)還將增加。Neuralink表示，目前采用USB口連接外部系統(tǒng)的方式未來會(huì)改為無線通訊;此外外科手術(shù)需要在頭蓋骨上鉆孔，這會(huì)讓人感覺到不爽，未來期望能用激光束穿透頭蓋骨，只打小孔，這是對(duì)技術(shù)的一些展望。

但有部分科學(xué)家表示實(shí)驗(yàn)室針對(duì)動(dòng)物的研究結(jié)果很可能無法成功轉(zhuǎn)移到人身上?；羧A德休斯醫(yī)學(xué)研究所（Howard Hughes Medical Institute）高級(jí)研究員Tim Harris說：“如果這項(xiàng)技術(shù)要用到人身上，至少再等個(gè)5年。這個(gè)復(fù)雜程度的植入手術(shù)，一兩年是不夠的?！?/p>