给大脑加个芯片 黑客帝国中的震撼未来要登场了吗

在可以预见的20年内,如果这种技术能够应用于人体,
  那么最实际的可能性是在医疗领域
  脑机接口:马斯克开出的又一味未来药方
  继电动汽车特斯拉、发射卫星与可回收火箭的SpaceX及超级高铁Hyperloop之后,身兼商人和未来主义者的亿万富翁伊隆·马斯克,最近又把目光瞄准了脑机接口技术。
  “任何有关于人工智能发展速度的预测,都指向其将超越人类。”马斯克2016年曾表示,对此,这位“硅谷钢铁侠”提出的解决方式是在人类大脑中加入一层人工智能,让人类与机器更快更直接地通信,在另一种意义上实现“进化”。次年,马斯克宣布启动一个新公司:Neuralink。
  低调进行研究两年后,在今年7月17日的一场互联网直播首秀中,Neuralink公司带来了其最新的脑机接口技术。这款系统用长得像缝纫机一样的机器人,向大脑中植入超细柔性电极来监测神经元活动,并将信号传导至外部机器,实现人机交互。马斯克表示,希望Neuralink可以帮助治疗脑部疾病,保护和增强人类的大脑,并最终将人类与人工智能融合在一起。
  赛博朋克是科幻小说的一个分支,情节通常围绕黑客、人工智能及大型企业之间的矛盾而展开。Neuralink新脑机接口系统的发布,甚至引发了人们对于赛博朋克时代提前来临的讨论:《黑客帝国》《超验骇客》等科幻电影中描绘的人机共生的震撼未来是否将要登场?
  对此,美国匹兹堡大学研究脑机接口的神经生物学教授Andrew Schwartz告诉《中国新闻周刊》,我们对于脑科学知之甚少,科幻作家们描绘的世界不过是一种猜测;在可以预见的20年内,如果这种技术能够应用于人体,那么最实际的可能性是在医疗领域。
  站在巨人的肩膀上
  Neuralink并不是第一家也不是唯一一家脑机接口(BCI)领域的掘金者,早在1990年代,BCI就已成为研究热点。迄今为止,人与机器之间的沟通形式一直仅限于手工输入和语音交互,科研人员设想借助脑机接口,开辟人机之间一个全新的交流方式——通过大脑向机器直接发指令,即用意识控制机器。
  就像一个无线遥控器一样,大脑的运动皮层指挥躯体的行动。擅长以幽默的文风阐释复杂问题的写作者Tim Urban解释,基于运动皮层的脑机接口的目的,就是当这个遥控器发出一些命令的时候,脑机接口能够收集到这个命令,将其传达给比如假肢、机械或计算机。神经连接你的运动皮层和你的手,而脑机接口就负责连接你的运动皮层和一台计算机,就是这么简单。
  实现大脑信号收集与传达的过程,要涉及一系列工程难题。比如,打开颅骨插入电极的侵入式接口。虽然有探测神经元信号质量较高的优点,但也存在感染风险、生物相容性差等问题。2006 年,一位脊髓麻痹患者接受了BCI 植入,他可以控制电脑鼠标,甚至玩游戏。从那以后,作为科学研究的一部分,陆续有瘫痪病人在实验室实现机器人手臂移动等动作控制。
  他们使用的系统均为BrainGate,是世界上第一个类似的脑机接口系统,由布朗大学开发。科研人员将一种名为“犹他阵列”的电极列阵植入瘫痪病人的运动皮层。当病人想要抬手或做其他活动时,电极便可检测到被这些意图激活的神经元,然后将信号传导给机器,让其完成对应命令。
  BrainGate系统中使用的犹他电极是一组坚硬的针,最多适用于 128 个电极,使用起来就像往大脑里扎进一个刺猬,对人体不够友好。这种材质在长期使用中还会逐渐暴露出弊端,比如,大脑在颅骨内可以自由移动,但针无法随之移动,日积月累的磨损最终会导致接口损坏。
  近来,根据动物实验的结果,最先进的电极是比利时公司Imec研发的神经像素,上面集成了960个记录位点,可以一次收集成千上万个脑细胞的数据,不过这只是单根电极,无法实现记录的广度。
  相较而言,Neuralink使用的这套系统在96根电极线上挂满3072个触点,比以往的脑机接口技术能够传输更多的数据。更妙的是,这种电极线由薄而柔韧的聚合物材料制造,柔软而灵活,且直径仅约为人类头发的四分之一。这些电极线就像一串串珍珠,只不过在这条导电线上串起来的是一系列微小电极和传感器,它们可从大量细胞中捕获信息并将其无线发送到计算机以供分析。
  这些柔性电极都会被埋藏在皮质中,随着大脑浮动,所以不用担心像“钢针”般的犹他阵列那样会划伤大脑组织的问题,由于这些高分子细线足够灵活,随大脑的位移也不会磨损自身。一位生物科学领域的教授接受《纽约时报》采访时评论称,Neuralink线程的灵活性的确是一个进步,不过,研究人员仍然需要证明这种电极线可以在大脑环境中长时间生存,因为这种环境中的盐溶液会使许多塑料变质。
  灵活与柔软也意味着植入难度的大幅升级。对此,Neuralink 带来了第二项重要突破——可以每分钟自动插入 6 根线程(192 个电极)的“神经外科机器人”。这个机器人很像显微镜和缝纫机的混合体,它使用的所谓计算机视觉系统,能够闪避大脑血管的位置,减少大脑炎症反应的产生;工作起来就像缝纫机一样,将一根根电极快速而安全地植入到大脑皮层中。据媒体报道,“缝纫机”机器人已在19个动物中植入电极,87%的试验是成功的。
  还有一个棘手的问题是,电极记录到的信号非常微小,且大脑内的环境比较复杂,存在各种噪音。发布会当晚,Neuralink在生物学预印论文网站biorxiv上发布了学术论文,透露了更多细节。文章指出,他们研发了一种定制化集成电路,可以更好地读取、过滤和放大所收集的信号。该芯片还设计了一种特殊处理单元 ,能够单独对每个通道进行预处理,并将最后记录到的细胞膜表面电位转换成数字信号。
  不过,目前数据的传输只能通过有线连接。该团队希望最后能够通过将一种传感器芯片植入人体来实现无线操作。具体来说:Neuralink打算在大脑四个区域植入传感器,三个位于运动皮层,一个位于躯体感觉皮层,然后在耳后放置一个外部接收器,并可以通过苹果手机APP控制。
  传感器组示意图:固定在颅骨上的若干个传感器,一边连接植入颅内运动皮层或者躯体感觉皮层的电极线,从大脑内捕获信息,一边连接放在耳后的外部接收器。图/Neuralink
  有专家认为,这次发布体现了整体解决方案上高水平的综合集成,多项技术都在以往基础上有了长足的进步。据《麻省理工科技评论》报道,柔性电极并非该团队首创,而是利用得克萨斯大学奥斯汀分校 Chong Xie 等人开发的技术,不过,Neuralink解决了从植入到后期信号处理的一套流程。
  赛博朋克远未到来
  马斯克擅长将看似天马行空的想法付诸实践并推动技术的商业化。Neuralink主席霍达克在发布会上表示,起初,他也不确定这个技术是个好想法,但马斯克最终让他相信这是可能的。在成立之初,马斯克会见了1000多人,最终招募了神经科学领域、脑外科、临床试验等众多领域著名学者到其麾下工作,包括美国国家实验室的工程师与柔性电极专家 Vanessa Tolosa、主要负责脑机接口算法的美国加州大学旧金山分校教授 Philip Sabes等。马斯克也指出,这场发布会的主要动机是招募,让更多的人才加入到Neuralink来。
  不过,Neuralink并非这一技术领域的唯一玩家,事实上,它面临的竞争对手不在少数。据《华尔街日报》2017年报道,Facebook 新的秘密项目向脑机接口工程师和神经科学家发布了招聘信息;美国国防高级研究计划署(DARPA)也计划在 4 年内投资 6000 万美元开发植入式神经接口技术,Neuralink推出的缝纫机器人也是由该部门所开发。
  美国匹兹堡大学脑机接口研究学者Andrew Schwartz指出,这项技术涉及的众多组件,别的团队也同时在研发,但比起他们,Neuralink的一大压倒性优势非常实在:钱包充裕,而且能有效地推进他们的研究。不过最后能做出怎样的成果,他表示还有待继续观望。
  Neuralink由马斯克成立于2017年,总部位于美国硅谷,目前拥有约 90 名员工,迄今为止已经融资 1.58 亿美元,其中至少有1亿美元来自CEO马斯克。据美国证券交易委员会(SEC)的文件显示,今年5月,Neuralink 完成了此前 5100 万美元轮次融资中 3900 万美元的入账。
  Andrew Schwartz表示,这次马斯克团队推出的科技主要是机械方面的创新,与科学不沾边。过去类似的系统已经被证明具有帮助人们恢复行动能力的潜力,但是庞杂的、不便于移动的各式设备限制了这种方法走出实验室。而现在,Neuralink则在硬件上进行创新,包括提高神经元的记录数量、将电极微型化处理,并通过无线方式替代人机之间的传输线,最终让那些日常依赖这类设备的人群更有可能常规使用。一言以蔽之,这些创新让规模化使用成为可能。
  美国南加州大学神经生物学系助理教授Andrew Hires告诉《中国新闻周刊》,Neuralink提供的解决方案尚未被应用到人体身上,如果成功用于人类,将会是当前该领域最为先进的技术。“就像实现了标准清晰度向高清电视机的飞跃,不过还远远达不到4K/8K级超高清电视的水平。”
  “这一方向的技术进步将有力推动脑科学的研究。以毫秒量级的时间分辨率同时观察并调控成千上万个神经元的活动,将可能带来脑科学研究范式的变化,从以往注意单个或是较少数量神经元的研究,转变到理解大规模神经网络的活动与信息处理和脑功能的关系上来。”中科院自动化所模式识别国家重点实验室副主任、脑网络组北京市重点实验室副主任余山在接受媒体采访时如此评价。
  2017年,Tim Urban在Neuralink团队的帮助下,专门写了一篇关于脑机接口的长文。他在文中指出,Neuralink依然面临诸多挑战,比如,如何处理人脑浩瀚的信息量——对于思想来说,几百个电极远不足以用来交流除了最简单的信息之外的东西。当谈到心目中那个能够改变世界的脑机接口的时候,Neuralink团队给出的数字是“同时记录一百万个神经元”。
  在公司刚刚成立时,有报道称 Neuralink 的第一批产品会被应用于治疗脑疾病,如癫痫或重度抑郁症。中科院半导体研究所研究员王毅军近日接受媒体采访时表示,目前来看Neuralink公司的脑机接口系统更像一套通用的平台工具,既可以用来诊疗神经系统疾病,也可以用来实现通讯控制,又可以用来进行神经科学研究。可以根据具体用途来确定电极该植入大脑的哪个区域。
  霍达克则表示,希望有朝一日——或许是不久的将来,Neuralink能够帮助人类摆脱一系列疾病,例如帮助瘫痪病人恢复行动能力或帮助人们听、说、看。该公司希望通过美国FDA的批准,争取最早于明年开始人体临床试验;该团队的脑外科医生Matthew MacDougall则表示,安全性是一个非常重要的目标,最终他们希望这项技术就像激光眼科手术一样可靠。

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