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)布會上，我們得知，馬斯克的新一代腦機(jī)接口分為以下四個方面：線程，機(jī)器人，元件和算法。本篇文章著重于從這四個方面介紹馬斯克的 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)布會上，我們得知，馬斯克的新一代腦機(jī)接口分為以下四個方面：

線程（Threads）—— 來自美國國家實(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）—— 將記錄到的信號進(jìn)行濾波，數(shù)模轉(zhuǎn)換和脈沖檢測（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 教授開發(fā)。

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

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

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)，信號在神經(jīng)元上的主要是通過電脈沖信號（動作電位）進(jìn)行傳遞。某種程度上，動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，目前來說信號很多，比如：

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

從時空分別率和信號質(zhì)量來說，動作電位包含了更多的信息，但記錄動作電位也最困難（需要開顱），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）。猶他電極是一個電極組，思路比較簡單，就是把許多電極集成在一塊上，做手術(shù)的時候，就像用氣錘往大腦里面砸一個刺猬，這個電極的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定，已有案例多，手術(shù)簡單，缺點(diǎn)是記錄位點(diǎn)較少（最多 256），日后取出較難。

圖片來源：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，但是劣勢是手術(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。從視頻來看，他們還能提供更多的定制化電極。

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

同時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)單個傳感器（N1 sensor）進(jìn)行 1024 通道信號處理，因?yàn)?Neuralink 并不會在一個區(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，金屬電極又無法集成多個記錄位點(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，但是在皮層動作電位的記錄比較少見。

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

所有的柔性電極都會被埋藏在皮質(zhì)中，它們會隨著大腦浮動，所有不用擔(dān)心 “鋼針” 會劃傷大腦組織的問題，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，所有記錄的信號都會傳遞到傳感器。

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)難度提升了好幾個檔次，因?yàn)闊o論是猶他電極還是 Neuropixel，最多是將硬腦膜掀開，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。

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

所以，為完成這個艱難的任務(wù)，他們在會上提出了一種手術(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。植入過程中還能避開血管，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。

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

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，這種信號非常微?。ê练墸?，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盘栠M(jìn)行濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

DJ Seo 就帶來了他的解決方案，他在芯片上設(shè)計(jì)了一種 Analog pixels 單元，能夠單獨(dú)對每個通道進(jìn)行預(yù)處理，包括上述所說的濾波等處理，最后記錄到的細(xì)胞膜表面電位會轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這個芯片中集成了 1024 個 Analog pixels，要知道神經(jīng)科學(xué)家的多通道記錄儀跟一臺臺式電腦主機(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。

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

DJ Seo 可以說非常懂神經(jīng)科學(xué)家的心了，在做電生理分析的時候，我們要耗費(fèi)大量的時間來進(jìn)行脈沖分選（Spike sorting）來得到動作電位，對動作電位做降維，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化完成！

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

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進(jìn)行電刺激（0.2 微安的振幅，7.8 微秒的時間分辨率）。這是一個非常重要的功能，因?yàn)閯幼麟娢坏挠涗浿荒軒椭覀冏x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，觸覺，本體感覺等。

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

這塊芯片會釘在顱骨上，這個設(shè)計(jì)有兩個好處，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。

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

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。筆者有幸聽過他的講座，講述的是在軀體感覺皮層給予電刺激，讓獼猴產(chǎn)生了虛假的 “感覺”。

圖片來源：https://profiles.ucsf.edu/philip.sabes

可以看出，Sabes 關(guān)注運(yùn)動控制的神經(jīng)機(jī)制，并擅長對軀體感覺皮層進(jìn)行刺激。目前來說，腦機(jī)接口的控制算法已經(jīng)極為成熟，來自匹茲堡大學(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，使用 Threads 進(jìn)行對皮層的精細(xì)刺激是一個很好的方向，起碼對于高位截癱患者，這項(xiàng)技術(shù)將幫他們重獲對軀體的感覺。

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，比如將電極植入視覺相關(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)動控制的初級運(yùn)動皮層（Primary motor cortex）、背側(cè)前運(yùn)動皮層（Dorsal premotor cortex）、輔助運(yùn)動區(qū)（Supplementary motor area）和負(fù)責(zé)軀體感覺的軀體感覺皮層（Somatosensory cortex）這幾個位置。

圖片來源：Neuralink 發(fā)布會

總結(jié)

在這次發(fā)布會上，Neuralink 確實(shí)提出了一種變革性的腦機(jī)接口技術(shù)。簡單來說，“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。

美國民眾本身對侵入式腦機(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，但這個數(shù)字在中國是 0。

而 Neuralink 提出了一種可用于人的更為安全的方案，相信會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，也許未來我們會看到腦機(jī)接口變成一項(xiàng)成熟的技術(shù)造福社會。

本文部分背景知識參考

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

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