馬斯克的 Neuralink 公司近日發(fā)布了最新的腦機(jī)接口技術(shù)，在發(fā)布會(huì)上，我們得知，馬斯克的新一代腦機(jī)接口分為以下四個(gè)方面：線程，機(jī)器人，元件和算法。本篇文章著重于從這四個(gè)方面介紹馬斯克的 Neuralink 公司，這兩年都干了些啥。

昨天，馬斯克（Elon Musk）的 Neuralink 公司發(fā)布了最新的腦機(jī)接口技術(shù)，在發(fā)布會(huì)上，我們得知，馬斯克的新一代腦機(jī)接口分為以下四個(gè)方面：

線程（Threads）—— 來(lái)自美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Vanessa Tolosa 研發(fā)的單根多觸點(diǎn)柔性電極。

機(jī)器人（Robots）—— 將 Threads 植入皮層的手術(shù)機(jī)器人。

元件（Electronics）—— 將記錄到的信號(hào)進(jìn)行濾波，數(shù)模轉(zhuǎn)換和脈沖檢測(cè)（spike detection）的電子元件，代表技術(shù)為 DJ Seo 的 N1 傳感器，DJ Seo 之前在加州大學(xué)伯克利分校做 Neural dust 項(xiàng)目。

算法（Algorithms）—— 腦機(jī)接口算法，由加利福尼亞大學(xué)舊金山分校教授 Philip Sabes 教授開(kāi)發(fā)。

本篇文章就著重于從這四個(gè)方面介紹馬斯克的 Neuralink 公司，這兩年都干了些啥。

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

Threads—— 先進(jìn)的記錄電極

我們都知道大腦中有許多神經(jīng)元，神經(jīng)元間締結(jié)的關(guān)系構(gòu)成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)在神經(jīng)元上的主要是通過(guò)電脈沖信號(hào)（動(dòng)作電位）進(jìn)行傳遞。某種程度上，動(dòng)作電位反映著我們的 “想法”。

既然馬斯克想要實(shí)現(xiàn)人類大腦與機(jī)器的通信，則必須要有一種手段記錄大腦信號(hào)，目前來(lái)說(shuō)信號(hào)很多，比如：

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

從時(shí)空分別率和信號(hào)質(zhì)量來(lái)說(shuō)，動(dòng)作電位包含了更多的信息，但記錄動(dòng)作電位也最困難（需要開(kāi)顱），所以馬斯克在神經(jīng)工程領(lǐng)域還是比較認(rèn)真的，啃了這樣一塊硬骨頭。

介紹線（Threads）之前，我們先來(lái)介紹一下現(xiàn)在比較火熱的電極，猶他電極（Utah array）和神經(jīng)像素（Neuropixel）。猶他電極是一個(gè)電極組，思路比較簡(jiǎn)單，就是把許多電極集成在一塊上，做手術(shù)的時(shí)候，就像用氣錘往大腦里面砸一個(gè)刺猬，這個(gè)電極的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定，已有案例多，手術(shù)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是記錄位點(diǎn)較少（最多 256），日后取出較難。

圖片來(lái)源：https://blackrockmicro.com/electrode-types/utah-array

神經(jīng)像素是去年的大明星，只有一根電極，但是上面集成了 960 個(gè)記錄位點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)是損傷少，可以急性記錄，缺點(diǎn)是只有一根，記錄位點(diǎn)只有深度，而非平面。

圖片來(lái)源：https://www.ucl.ac.uk/Neuropixels/

而 Neuralink 公司的方案是在記錄方面集上述兩家電極的優(yōu)勢(shì)，但是劣勢(shì)是手術(shù)極難，在視頻中Vanessa Tolosa 展示了一種直徑 27.5 微米的電極 —— 線，這個(gè)電極比猶他電極（100 微米）和神經(jīng)像素（70 微米）要小很多，更細(xì)的電極意味著更小的腦損傷。從視頻來(lái)看，他們還能提供更多的定制化電極。

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

同時(shí)在單根電極上深度不同，記錄位點(diǎn)不同，這也是為什么能實(shí)現(xiàn)單個(gè)傳感器（N1 sensor）進(jìn)行 1024 通道信號(hào)處理，因?yàn)?Neuralink 并不會(huì)在一個(gè)區(qū)域植入 1024 根電極，而是按 64（根）×16（單根記錄位點(diǎn)）的方式來(lái)植入。

視頻里的電極顯然是一種柔性電極，能夠被掰彎，在電極材料里，硅板電極是剛性電極，金屬電極又無(wú)法集成多個(gè)記錄位點(diǎn)，那剩下的選擇，只能將電極絲埋入高分子材料中，這種方案一般應(yīng)用在皮層腦電和外周神經(jīng)的記錄中，但是在皮層動(dòng)作電位的記錄比較少見(jiàn)。

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

所有的柔性電極都會(huì)被埋藏在皮質(zhì)中，它們會(huì)隨著大腦浮動(dòng)，所有不用擔(dān)心 “鋼針” 會(huì)劃傷大腦組織的問(wèn)題，并且 Neuralink 使用的是柔性電極，就像在腦子里埋了一根 “頭發(fā)絲”，十分安全。最終，所有記錄的信號(hào)都會(huì)傳遞到傳感器。

Robots—— 手術(shù)機(jī)器人

如前文所述，使用 Threads 這樣的電極意味著植入手術(shù)難度提升了好幾個(gè)檔次，因?yàn)闊o(wú)論是猶他電極還是 Neuropixel，最多是將硬腦膜掀開(kāi)，把電極往里一拍就完事了（當(dāng)然這些手術(shù)也很難），但是使用 Threads 電極不單要進(jìn)行這些操作，還得將電極一根根植入。

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

所以，為完成這個(gè)艱難的任務(wù)，他們?cè)跁?huì)上提出了一種手術(shù)機(jī)器人，干起活就像縫紉機(jī)一樣將一根根電極快速而穩(wěn)定地植入到皮層中。植入過(guò)程中還能避開(kāi)血管，定制化地確定電極位置，令手術(shù)更安全，進(jìn)一步保證電極的記錄效率。

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

Electronics—— 硬件濾波（N1 傳感器）

歸根到底，電極記錄到的是神經(jīng)元的膜電位信號(hào)，這種信號(hào)非常微小（毫伏級(jí)），且大腦內(nèi)的環(huán)境比較復(fù)雜，存在各種噪音，那么就必須存在一種硬件，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

DJ Seo 就帶來(lái)了他的解決方案，他在芯片上設(shè)計(jì)了一種 Analog pixels 單元，能夠單獨(dú)對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行預(yù)處理，包括上述所說(shuō)的濾波等處理，最后記錄到的細(xì)胞膜表面電位會(huì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這個(gè)芯片中集成了 1024 個(gè) Analog pixels，要知道神經(jīng)科學(xué)家的多通道記錄儀跟一臺(tái)臺(tái)式電腦主機(jī)差不多大，而 Neuralink 將這些功能集成在一塊芯片上，大大增強(qiáng)了腦機(jī)接口的實(shí)用性。

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

DJ Seo 可以說(shuō)非常懂神經(jīng)科學(xué)家的心了，在做電生理分析的時(shí)候，我們要耗費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)進(jìn)行脈沖分選（Spike sorting）來(lái)得到動(dòng)作電位，對(duì)動(dòng)作電位做降維，聚類等等。而 DJ Seo 大手一揮，以后這些工作通通可以在芯片上自動(dòng)化完成！

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

借助芯片控制，DJ Seo 設(shè)計(jì)的電子元件可以控制單通道來(lái)進(jìn)行電刺激（0.2 微安的振幅，7.8 微秒的時(shí)間分辨率）。這是一個(gè)非常重要的功能，因?yàn)閯?dòng)作電位的記錄只能幫助我們讀取大腦信息，而電刺激能給幫助我們給大腦傳遞信息，比如視覺(jué)，觸覺(jué)，本體感覺(jué)等。

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

這塊芯片會(huì)釘在顱骨上，這個(gè)設(shè)計(jì)有兩個(gè)好處，一是用于錨定電極，防止電極因各種意外脫位，二是在較近的位置完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，減少噪聲。

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

Algorithms—— 腦機(jī)接口算法

這部分是 Philip Sabes 在負(fù)責(zé)。Sabes 名校出身，在劍橋大學(xué)學(xué)過(guò)兩年數(shù)學(xué)，博士畢業(yè)于麻省理工，之后在加州理工做博士后，現(xiàn)在在加州大學(xué)舊金山分校做教授，算是地地道道的神經(jīng)科學(xué)專家。筆者有幸聽(tīng)過(guò)他的講座，講述的是在軀體感覺(jué)皮層給予電刺激，讓獼猴產(chǎn)生了虛假的 “感覺(jué)”。

圖片來(lái)源：https://profiles.ucsf.edu/philip.sabes

可以看出，Sabes 關(guān)注運(yùn)動(dòng)控制的神經(jīng)機(jī)制，并擅長(zhǎng)對(duì)軀體感覺(jué)皮層進(jìn)行刺激。目前來(lái)說(shuō)，腦機(jī)接口的控制算法已經(jīng)極為成熟，來(lái)自匹茲堡大學(xué)的 Andy Schwartz，已經(jīng)報(bào)道多項(xiàng)應(yīng)用于人的腦機(jī)接口工作，其中患者已經(jīng)能夠極為流暢地使用自己的 “意念” 來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的控制。Neuralink 如果想在腦機(jī)接口領(lǐng)域有所建樹(shù)，使用 Threads 進(jìn)行對(duì)皮層的精細(xì)刺激是一個(gè)很好的方向，起碼對(duì)于高位截癱患者，這項(xiàng)技術(shù)將幫他們重獲對(duì)軀體的感覺(jué)。

因此 Sabes 的匯報(bào)介紹了應(yīng)用于腦機(jī)接口的群體向量算法，并暢想了這項(xiàng)技術(shù)的未來(lái)，比如將電極植入視覺(jué)相關(guān)皮層、海馬區(qū)和前額葉進(jìn)行記錄和刺激，可以實(shí)現(xiàn)更多可能的應(yīng)用。

Tips:

Neuralink 計(jì)劃將電極植入大腦皮層中負(fù)責(zé)軀體運(yùn)動(dòng)控制的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（Primary motor cortex）、背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層（Dorsal premotor cortex）、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)（Supplementary motor area）和負(fù)責(zé)軀體感覺(jué)的軀體感覺(jué)皮層（Somatosensory cortex）這幾個(gè)位置。

圖片來(lái)源：Neuralink 發(fā)布會(huì)

總結(jié)

在這次發(fā)布會(huì)上，Neuralink 確實(shí)提出了一種變革性的腦機(jī)接口技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，“線” 讓我們得到更多的皮層信息，且更細(xì)更軟的電極極大的減小了腦損傷，N1 傳感器也簡(jiǎn)化了腦機(jī)接口的設(shè)計(jì)，讓腦機(jī)接口應(yīng)用于生活變得更有可能。

美國(guó)民眾本身對(duì)侵入式腦機(jī)接口有很高的接受度，即便是傳統(tǒng)的猶他電極，也有應(yīng)用于多名高位截癱患者的案例，但這個(gè)數(shù)字在中國(guó)是 0。

而 Neuralink 提出了一種可用于人的更為安全的方案，相信會(huì)令更多患者放下心理負(fù)擔(dān)，從而招募到更多的被試者進(jìn)行研究，這些基于人群的研究提供的數(shù)據(jù)將進(jìn)一步激發(fā)腦機(jī)接口的發(fā)展，也許未來(lái)我們會(huì)看到腦機(jī)接口變成一項(xiàng)成熟的技術(shù)造福社會(huì)。

本文部分背景知識(shí)參考

Kandel E.R. et al., 2013, Principles of Neural Science, 5th edition

Miguel A. L. Nicolelis, 2008, Method for neural ensemble recordings, 2th edition