給大腦插上USB接口？馬斯克給腦機接口技術帶來新視野

馬斯克似乎總是可以給人們帶來驚喜。馬斯克旗下位於舊金山的一家腦機接口初創公司Neuralink宣稱，已經找到了高效實現腦機接口的方法。他們利用一台手術機器人向大腦快速植入電極線，在顱骨上放置一個芯片，然後直接通過USB接口讀取大腦信號。據悉，Neuralink公司正在老鼠和猴子身上進行測試，他們希望在明年年底之前開始對人類患者進行試驗，從而在將來為截癱患者配備可用大腦操控的機器人。

這一腦機接口方法的高效和進步之處在哪裡？腦機接口技術是否有倫理上的問題？在科學家尚未清楚了解人腦原理和奧妙時，工程學可以帶來怎樣的新視野？解放日報·上觀新聞記者採訪了華東師范大學生命科學學院腦功能基因組學教育部重點實驗室主任林龍年教授。

這個手術機器人有個形象的名字——縫紉機

“我們一直在關注Neuralink公司，它的網站自公司成立以來一直沒有什麽更新，直到近幾天爆出了這麽個大新聞。”林龍年說。自從1924年德國科學家漢斯.柏格（Hans Berger） 第一次在人類大腦系統地記錄到腦電信號以來，從上世紀七八十年代起，人們就在探尋和發展腦機接口技術。雖然，目前腦科學家還未能通過解碼神經元的電活動信號來揭示大腦的工作原理，但不排除通過讀取相關的腦電活動信號來實現某些場景下的腦機控制。獲取腦電信號有許多種方法，在早些年，人們就可以通過在顱骨外埋置電極，無創地記錄腦電活動信號。但腦電信號經過顱骨的過濾，信號幅度大為遞減。要實現真正有意義的腦機控制，比較理想的是能獲取神經元活動的動作電位信號，這裡順便科普一下，大腦神經元是帶電的，在靜息狀態下，細胞膜內為負，膜外為正，如果把一根電極插入神經細胞膜內，其電位顯示是負70毫伏。而在活動狀態下，這個電位會瞬時翻轉過來，膜內為正，膜外為負，其電位幅度變化約為110毫伏，且這變化的時間非常短促，一個毫秒都不到，這就是動作電位。更有趣的是，神經元動作電位具有全或無的特性，它在一定時間內產生的數量越多、頻率越高，就表征神經元的活躍程度越高。人類大腦一共有860億個神經元，每個神經元都具有這樣的活動特性，但麻煩的是，如果從顱骨外無創地記錄，幾乎無法獲得神經元的動作電位信號，需要直接到腦內去獲取。

“馬斯克這次發布的腦機接口新技術有三方面大的技術進步。”在林龍年看來，這次Neuralink公布的記錄電極線只有4到6微米，相當於頭髮絲的1/4，這對於腦的損傷會比較小，這是一大進步。其次，如何把極其細小的電極線植入到腦組織內，這是一個相當棘手的難題，馬斯克團隊為此特地研發了手術機器人。這個機器人有個形象的名字——縫紉機，因為它的工作方式就像一台縫紉機，每分鐘能夠向大腦植入6根電極線。第三，如何把神經元動作電位的模擬信號轉換成數字信號，這需要一個強大的神經信號處理器，采樣頻率必須在20 khz以上。Neuralink為此開發了一個能同時放大、讀取和處理3072道腦電信號的芯片，“最近兩年，他們為設計這一款神經信號芯片已流片8次，差不多每三個月就改進一版。”

“馬斯克在腦機接口技術上很有遠見”

Neuralink公司樂觀表示，將爭取美國食品藥品管理局（FDA）的批準，最早於明年年底之前開始臨床試驗，期望能改善腦損傷及其他殘疾患者的生活，比如幫助截肢者重新獲得行動能力等。

“馬斯克在腦機接口技術上很有遠見，但想要在短期內用於人體並獲得立竿見影的效果，還是存在一些技術瓶頸，比如植入性的大腦信號采集，目前不可避免地會對大腦有所損傷，很難在正常人的大腦中使用，只能在某些腦疾病患者上試驗。”林龍年認為，這也正是腦機接口技術所面臨的一個倫理問題，即是否會對試驗對象造成腦部損傷，因此短期內還無法在正常人身上進行侵入式試驗，只有在腦機接口技術上取得更大的進步，才有可能被倫理委員會批準通過。

由於顱骨外腦電信號的來源太複雜，對於解碼大腦工作原理基本用處不大，而神經元活動的動作電位信號比腦電信號更加精準，馬斯克富有遠見地抓住了這一點，接下來他的團隊還將把目前的“有線”技術拓展到“無線”技術，這將是一個有前景的方向。“FDA應該會支持這一技術在某些腦疾病患者身上開展臨床試驗，之前FDA曾經批準過目前唯一能用於人體的猶他電極，因為其生物兼容性比較好。”

儘管科學家目前尚未清楚了解人腦的原理和奧妙，但工程學給神經科學帶來了新的視野。未來，如果能在技術上實現對大腦眾多神經元動作電位信號的實時觀測和記錄，就能做一個大腦的活動圖譜，這對於解碼大腦的工作原理將是一個里程碑式的工作。“正如萊特兄弟雖然不懂空氣動力學原理，但他們首創了人類的第一個飛行器。”林龍年說，在不知道原理的時候，可以用工程學的方法去仿製它，以達到工程上的某些有限目標。“技術狂人”馬斯克把現有的腦機接口技術集中起來，並用工業化手段將其做到極致，這對腦機接口技術的推動有著不可小覷的作用。