科學(xué)怪人開(kāi)頭顱，首創(chuàng )人腦機器！埋入1萬(wàn)個(gè)微米電極竊聽(tīng)大腦，馬斯克腦機將植入人體
重量為2斤半，耗電量?jì)H為20W，相當于一個(gè)電燈泡的耗能。
但是，它卻創(chuàng )造了生物電子學(xué)的無(wú)限奇跡！
腦研究的核心是應用傳感器技術(shù)。
無(wú)論是我們熟悉的頭皮電極、核磁共振成像，還是新開(kāi)創(chuàng )的植入芯片等方法，都在試圖探索這個(gè)神秘的器官。
最近，比利時(shí)納米數字研究機構Imec開(kāi)創(chuàng )了Neuropixels探測器，即建立一種新的探針，以神經(jīng)元水平觀(guān)察活體大腦。
光是第一代Neuropixels探測器，就已向全球交付約650個(gè)實(shí)驗室使用。與此同時(shí)，Imec還創(chuàng )建了OpenScope共享大腦天文臺，向世界各地大腦研究者提供開(kāi)源數據。
這是一個(gè)全球共享的神經(jīng)科學(xué)研究設施，相當于歐洲核子研究中心用于共享高能物理研究的粒子加速器。
神經(jīng)像素，這是一種觀(guān)察大腦活動(dòng)的全新技術(shù)。它的功能類(lèi)似于成像，不過(guò)，它記錄的是電場(chǎng)而不是光場(chǎng)。
合作始于2010年，工程師Barun Dutta（巴倫·杜塔）與神經(jīng)科學(xué)家Timothy D. Harris（蒂莫西·哈里斯）之間的對話(huà)。
杜塔任職于Imec，他使用了最先進(jìn)的半導體制造設備；哈里斯工作于HHMI（霍華德·休斯醫學(xué)院），他是資深的神經(jīng)科學(xué)家。
杜塔將他的半導體知識帶到神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域
「我們需要在一個(gè)自由活動(dòng)的動(dòng)物體內，對其局部神經(jīng)回路，記錄每個(gè)神經(jīng)元的尖峰?！构锼拐f(shuō)。
由杜塔和哈里斯領(lǐng)銜，組建了一支多學(xué)科交叉背景的研究團隊，包括工程師、神經(jīng)科學(xué)家、軟件設計師等人員。
科學(xué)家們展開(kāi)探索，如何利用先進(jìn)的微電子學(xué)發(fā)明一種新的傳感器，同時(shí)監聽(tīng)任何一小部分腦組織中、成千上萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元之間的電流對話(huà)。
科學(xué)家發(fā)明的這個(gè)系統被命名為Neuropixels，「把我們想象成神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的英特爾」杜塔說(shuō)，「我們提供芯片，然后世界各地的實(shí)驗室用它們編寫(xiě)代碼、做實(shí)驗」。
要建造一個(gè)數字探針，時(shí)間足夠長(cháng)，可以到達大腦器官的任何部分，但又足夠細小，在進(jìn)入的過(guò)程中不會(huì )破壞脆弱的組織，這并不容易。
事實(shí)上，大腦的彈性和酸奶一樣。
因此，科學(xué)家既要保持筆直地插入，又能在晃動(dòng)的大腦內讓它彎曲，從而長(cháng)期存在也不至于損壞鄰近腦細胞。
當大腦引導身體完成復雜的行為時(shí)，探測器需要足夠持久，才能保持原位并可靠地記錄數周甚至數月。
Neuropixels將神經(jīng)科學(xué)推向一個(gè)更高階段，為癲癇和帕金森等腦部疾病提供更好的治療，也為未來(lái)的腦機接口鋪平了道路。
時(shí)間回到上個(gè)世紀50年代，研究人員使用了一種原始的電子傳感器，來(lái)識別帕金森病患的神經(jīng)元失活。
經(jīng)過(guò)了70年的發(fā)展歷程，隨著(zhù)微電子學(xué)革命，大腦探針的所有部件都已經(jīng)微型化，大腦電子傳感技術(shù)取得了長(cháng)足的進(jìn)步。
2021年，該系統升級為2.0版本。相比4年前的初始版本，增加了一個(gè)數量級的傳感器數量。
現在，3.0版本已經(jīng)處于早期開(kāi)發(fā)階段。
科學(xué)家相信，神經(jīng)像素將按照摩爾定律指數式增長(cháng)。
而這，還僅僅是一個(gè)開(kāi)始。
研究大腦的生物學(xué)專(zhuān)家建議實(shí)驗人員用金或鉑做電極，然后用有機金屬聚合物做柄部。
然而，這些材料都不能和先進(jìn)的CMOS制造工藝相兼容。于是，實(shí)驗人員進(jìn)行了一些研究，并做了大量的工程設計。最終，Silke Musa發(fā)明了一種氮化鈦，這是一種極其堅固的電陶瓷，它可以兼容CMOS和動(dòng)物的大腦。
同時(shí)，該材料也是多孔的，這給了它低阻抗。低阻抗對獲得電流和清除信號非常有幫助，而無(wú)需加熱附近的細胞，從而產(chǎn)生噪音，破壞數據。
多虧了大量的材料科學(xué)研究和微機電系統(MEMS)的一些相關(guān)技術(shù)，研究人員現在能夠控制硅桿和氮化鈦電極沉積和蝕刻過(guò)程中產(chǎn)生的內應力。
如此一來(lái)，盡管硅桿只有23微米(微米)厚，但它們能一直保持幾乎完美的直線(xiàn)。
而每個(gè)探針由四個(gè)平行的柄組成，每個(gè)柄上又鑲有1,280個(gè)電極。在1厘米的長(cháng)度之內，探針的長(cháng)度足以達到老鼠大腦中任何一個(gè)位置。
在2021年發(fā)表的小鼠研究表明，Neuropice2.0設備可以在嚙齒動(dòng)物正常生活的同時(shí)，連續六個(gè)月從相同的神經(jīng)元收集數據。
與CMOS相兼容的柄部和腦組織之間的彈性差異巨大，如此一來(lái)，就引發(fā)出了一個(gè)問(wèn)題，那就是：當探針在大腦中不可避免地隨著(zhù)大腦的移動(dòng)而移動(dòng)時(shí)，應該如何跟蹤單個(gè)神經(jīng)元。
我們都知道，神經(jīng)元的大小為20至100微米，而每個(gè)電極的直徑為15微米，小到足以記錄單個(gè)神經(jīng)元的孤立活動(dòng)。
但是，經(jīng)過(guò)了六個(gè)月的推擠活動(dòng)，整個(gè)探測器可能在大腦內移動(dòng)500微米。在這段時(shí)間里，任何一個(gè)特定的像素都可能看到幾個(gè)神經(jīng)元來(lái)來(lái)去去的場(chǎng)景。
（目前最常見(jiàn)的神經(jīng)紀錄裝置）此外，每個(gè)柄上的1,280個(gè)電極都是單獨可尋址的，四個(gè)平行的柄能給研究人員提供有效的2D 讀數，這非常類(lèi)似于CMOS照相機拍出的圖像。
這種相似性讓研究人員意識到，神經(jīng)元相對于像素的位移問(wèn)題和IS系統非常相似。
就像在拍攝的時(shí)候搖晃攝像機一樣，大腦中一塊區域的神經(jīng)元與其電性能是相關(guān)的。
研究人員可以利用已有的能解決攝像機抖動(dòng)問(wèn)題，來(lái)解決探測頭晃動(dòng)的問(wèn)題。而隨著(zhù)穩定軟件的應用，研究人員就能在神經(jīng)電路隨意移動(dòng)的時(shí)候，使用自動(dòng)校正功能。
而2.0版本將位于頭骨外部、控制植入的探針并輸出數字數據的電路板縮到拇指大小。
這樣，一個(gè)電路板和底座就可以放兩個(gè)探針，每個(gè)探針延伸出四個(gè)小柄，一共有10,240個(gè)可記錄的電極。
研究人員編寫(xiě)了控制程序，實(shí)現了高采樣率，能捕捉到大量數據。是CMOS成像芯片通常能記錄的500倍。
但目前該設備還不能捕捉所接觸到的每個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。
日后計算機技術(shù)的不斷進(jìn)步將進(jìn)一步緩解未來(lái)幾代人內緩解現存的帶寬限制。
在短短四年時(shí)間里，研究人員幾乎將像素的密度提高了一倍，可同時(shí)記錄的像素數量也增加了一倍，整體像素數量更是增加了十倍以上，而外部電子設備的尺寸不增反減，縮小了一半。
而下一代的3.0版本也已經(jīng)在開(kāi)發(fā)中，將在2025年左右發(fā)布，保持四年一發(fā)布的節奏。在3.0版本中，研究人員預計，像素數量將再次躍升，可以監控大約5萬(wàn)到10萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元。
同時(shí)，小組還打算繼續添加探測器，并將輸出帶寬增加三倍或四倍，將基本帶寬減少兩倍。
（第一個(gè)Neuropion裝置。柄上有966個(gè)電極。）科學(xué)怪人開(kāi)頭顱，首創(chuàng )人腦機器
2014年，美國有一位年近7旬的神經(jīng)學(xué)家Phil Kennedy（菲爾·肯尼迪）竟鋸開(kāi)了自己的頭骨，往大腦內植入了電極。
當時(shí)因一直找不到實(shí)驗對象，研究經(jīng)費也即將枯竭，Kennedy才出此下策對自己大腦開(kāi)刀。
這場(chǎng)腦部手術(shù)共持續了11個(gè)半小時(shí)，其實(shí)進(jìn)行的并不太順利。
Kennedy在醒來(lái)時(shí)竟失去了說(shuō)話(huà)的能力。
他這么做就是為了打造一個(gè)語(yǔ)音****，讓無(wú)法發(fā)聲的患者通過(guò)腦機接口的方式重新「發(fā)聲」。
此前，Phil Kennedy已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域研究了近30年，是赫赫有名的神經(jīng)科學(xué)家，被許多人稱(chēng)為「半機器人之父」。
他在上世界90年代研發(fā)的侵入式腦機接口就讓一名重度癱瘓者學(xué)會(huì )用大腦控制電腦光標打字，讓別人可以「聽(tīng)到」他的聲音。
在腦機接口上的研究可以說(shuō)是數不勝數，最讓人興奮和激動(dòng)的便是Neuarlink的研究。
就在2020年8月，馬斯克在發(fā)布會(huì )上公布了Neuarlink的重磅突破。
這次，這一次馬斯克打造的神奇設備只有硬幣大小，用手術(shù)植入頭骨，充滿(mǎn)電可用一整天。
馬斯克講到，腦機接口最本質(zhì)的就是「連線(xiàn)」問(wèn)題（wiring）。
現場(chǎng)，馬斯克就展示了已經(jīng)植入Neuralink設備兩個(gè)月活蹦亂跳的健康小豬。
實(shí)驗主要是植入芯片后，能直觀(guān)看到豬的腦活動(dòng)，演示人員撫摸它的鼻子時(shí)，豬的神經(jīng)開(kāi)始興奮。設備連接的1024個(gè)電極作用下，它腦內的電波信號，清晰可見(jiàn)。
同樣在2021年4月，Neuralink再次取得了新進(jìn)展，一只猴子可以用意念玩乒乓球游戲。
實(shí)驗中，一只9歲的恒河猴Pager的腦袋里被植入了兩個(gè)N1 Link，工作人員用香蕉奶昔誘惑它玩游戲。
隨著(zhù)腦機接口技術(shù)不斷推進(jìn)，能夠讓癱瘓患者用意念操作智能手機，速度將會(huì )比手指還要快。
馬斯克在去年曾表示，腦機接口將于今年用于人類(lèi)。
腦機接口未來(lái)可期。
來(lái)源：腦機接口
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