从Elon Musk的Neuralink谈起，脑机接口是什么？
2020-09-14
14:00:52
来源: 半导体行业观察
马斯克和他的特斯拉和SpaceX公司，一次次颠覆人们的三观，并将科技和工程推向极致，已经不是新鲜事了。8月底，他通过全网直播的方式，展示了他创办的Neuralink公司的新一代脑机接口设备，以及他们在脑机接口技术上取得的最新进展。
在这篇文章里，我们就一起了解一下，什么是脑机接口、它的主要应用领域有哪些，以及它到底是用来融资的噱头，还是人类文明进步的推动力量。
脑机接口，也就是brain-computer interface BCI，或者brain-machine interface BMI，指的是在大脑和外部机器之间，构建接口和互连通路，并实现信息的直接交换。
脑机接口并不是一个近年来才提出的全新概念，事实上，早在上个世纪七十年代，科学家们就已经开始研究神经元与运动、感知等功能的具体关系了。在很多小说和电影中，脑机接口技术更是达到了神乎其神的高度，比如对阿凡达的远程操控，以及黑客帝国里虚拟与现实的切换等等，这也在很大程度上放大了人们对脑机接口技术的期待和好奇。
为了说清楚脑机接口的本质，还要从神经元的工作方式开始说起。众所周知，神经元是组成大脑和神经系统的最基本单元。在人脑中，有着大约一千亿个神经元。这些神经元组合在一起，就构成了复杂的神经网络。
具体来说，神经元之间通过突触相互连接，而突触的主要功能，就是释放和传递名叫神经递质的化学物质。当神经冲动发生时，这些神经递质就会从突触的一端释放，然后传达和作用在下一个神经元上。在这个过程中，会产生电信号，并以电脉冲的形式出现。我们人体的所有体验和感觉，都可以归结为神经元电信号的传导。
所以，
脑机接口的本质，就是通过一定的手段，感知和检测大脑里神经元的电活动，并将其翻译、转换成对外部机器的控制
。或者反之，将外部事件转换成电脉冲信号，并传输回大脑，干预影响神经元的电活动，从而让主体获得相应的感觉和体验。
脑机接口的另外一个重要的理论基础是，人们发现大脑皮层存在分区，而不同区域负责的功能不尽相同
。例如，额叶负责高级认知功能，比如学习、语言、决策、抽象思维和情绪；顶叶负责躯体感觉、空间信息、视觉信息的处理和整合；颞叶负责听觉、嗅觉、长期记忆；枕叶负责视觉等等。
由于大脑分区的存在，可以针对性的研究大脑不同区域的电活动，以及它们所对应的具体行为或感受。这在很大程度上使得对神经元的感知和控制更加精确。比如，如果你想通过意识控制机器手抓取物品，那么可能就需要对大脑顶叶的神经元的电活动进行干预。
事实上，脑机接口的相关研究已经有几十年了。其中最有代表性的例子，就是来自美国匹兹堡大学的一系列研究。2008年，他们在猴子的大脑皮层里植入了15到25个控制单元，并连接到放置于猴子肩膀旁边的机械手上。同时，猴子自己的双手被塞到两个筒子里，不能移动。通过一段时间的训练，猴子通过脑机接口控制机械手，成功的抓取了眼前针头上的棉花糖，并喂到自己的嘴里。这项研究在当时也刷爆了学术圈，有关的论文也发表在2008年的Nature上。
从这个例子可以看到，脑机接口在医学领域有着无限的想象空间。比如，对于那些不幸遭受脊柱或者脑损伤，从而失去行动能力的病人，可以使用脑机接口控制机械手，甚至机械外骨骼，在一定程度上恢复行动能力。同样的，也可以是用脑机接口修复其他神经损伤，比如增强病人在语言、视觉、听觉等方面的能力。马斯克在他的演讲中提到，我们每个人或多或少的都会遭遇到神经系统的疾病威胁，除了外伤之外，还有随着年龄增长而带来的感知和记忆力衰退，以及当代人们常见的抑郁、焦虑、失眠等很多情绪问题。马斯克和他的Neuralink公司所要解决的，就是通过脑机接口帮助人们进行脑神经修复，从而解决上面提到的各种问题。
脑机接口的实现方式主要有两种：非侵入式和侵入式
。它们的判断标准就是神经元电信号的获取方式。非侵入式脑机接口，就是直接采集头皮脑电，这和做脑电图比较类似。但是由于头皮和神经元隔着十万八千里，因此这样采集的脑电信号精度很低，区分度也不够。这种非侵入式的脑机接口，通常只应用于一些对精度和复杂度要求不高的场景，比如简单的游戏控制，或者对简单问题进行判断等等。
而侵入式脑机接口，顾名思义，就是把微电极、探针等设备，直接通过手术的方式植入大脑皮层，并且直接和大脑神经元进行交互。就像上面介绍的匹兹堡大学的猴子实验。侵入式脑机接口最主要的好处，就是干扰小，能够比较精确的获取某个区域的神经元电信号，同时也可以精确的对这个区域进行刺激。
事实上，人们使用这种侵入式的技术治疗神经性疾病，已经有很长的历史了。例如，为了治疗中晚期的帕金森病，人们会采用名为脑深部刺激术DBS的方法。简单来说，这种方法就是将电极植入患者颅内，并通过电脉冲的方式对人脑的神经系统产生作用。这项治疗方法在国际上的临床应用已经有超过30年的历史了，它的确在治疗帕金森病、癫痫、以及一些神经与精神疾病上展示出了良好的应用前景。
但是，侵入式脑机接口的最主要问题就是侵入性。整个植入过程需要开颅手术，可想而知这本身就会带来较大的潜在风险。此外，植入设备后的排异性，对大脑的损伤，以及很多其他的问题，也在阻碍侵入式脑机接口技术的发展。
那么我们再回到马斯克和他的Neuralink公司，它们的主要目标，就是对侵入性脑机接口进行极致的工程优化，使它变的更加稳定、廉价，从而能够被广泛使用。为此，马斯克和Neuralink还发表了一篇颇有深度的论文：
总结来说，到目前为止，马斯克和Neuralink取得的主要技术创新有以下三点。
首先，就是用于植入电极的新型柔性材料
。对于侵入式脑机接口来说，肯定希望植入的电极或探针越小越好，这样一方面能植入更多的电极，另一方面对大脑的损伤会更小。那么Neuralink的这种像细丝一样的材料，宽度只有5微米，比头发丝还要细10倍。这样的柔性材料在植入大脑后，可以跟随大脑进行小幅移动，极大的降低了对脑组织和神经系统的损伤。
在每根丝里，有32个电极，而多股这样的细丝可以组成更大的电极阵列。比如在这次展示的名为Link v0.9的器件中，就包含了1024个电极。这样的电极数量，比传统的侵入式脑机接口研究，提升了一个量级。
Neuralink的第二个技术创新，就是用来植入电极的手术机器人
。可想而知，为了在大脑表面操作比头发丝还细10倍的电极丝，靠手工操作是不现实的。因此使用机器人进行电极植入几乎是一个必然的选择。Neuralink开发的这个手术机器人，就像一个超高精度的缝纫机，可以把电极丝一个一个植入大脑的特定区域，并且自动检测并避开脑部的血管。
第三个主要成果，也是我比较关心的，就是Neuralink开发的脑机接口芯片N1，以及这次展示的脑机接口器件Link V0.9
。先说N1芯片，它的尺寸是4毫米乘5毫米，可以同时处理1024个电极通道的数据。N1芯片和电极丝相连，并负责采集来自神经元的电信号，然后执行信号的放大、模数转换，最后输出。
在去年展示的版本上，这个器件被放在植入者的耳朵后面。而在这次展示的版本上，所有的部件都被整合在一起，并直接植入头骨，这样从外面是看不到任何设备和连线的。
具体来说，这个圆形器件的尺寸是23毫米，厚度8毫米，它的主体包含了电极丝的基底、N1芯片、电池、以及其他数据传输和充电的模块。值得注意的是，Link V0.9的所有数据传输和充电过程都通过无线完成，这样就避免了更换电池，或者像他们最早展示的产品那样，在头上开个USB口进行充电和数据传输。
马斯克这次演示的重点环节之一，就是通过三只小猪展示了一些Neuralink脑机接口器件的基本功能。比如通过采样的神经信号，估计小猪实际的行走姿态。说实话，这和前面提到的猴子控制机器手的视频相比，给人的震撼程度逊色了不少。在某乎也有大v提到，这样的功能其实通过非侵入式的脑电或肌电就能实现。
此外，马斯克还展示了通过电极丝进行的神经信号写入的过程。这更多的是一个可行性展示，也就是证明在工程上可以通过电极丝写入电刺激，并影响周围神经元的反应。但这并不代表这些写入的电刺激是有意义的，或者它们会造成什么样的影响，更不用说如何对这些写入进行有目的的精确控制了。
而这也是学术界和工业界的很多人，质疑或者不屑这次发布会的主要原因
。归根到底，这次发布会并没有太多实际的“黑科技”登场亮相。
老石认为，从一开始，
我们或许就不该对这些远未成熟的技术报以太多的期待，但这并不代表着否定任何很小的进步
。试想一下，如果我们把时间维度从2020年8月28号发布会这一天，沿着时间轴向前拉伸一年、十年、一百年，或者一千年，站在上帝视角我们就能够看到，当前的所有文明对于之前的我们来说，都是极其玄幻的。
但是如果你穿越到几十年前，告诉当时的人，说他们以后会离不开手机和电脑，并可以用这些电子产品解决生活和工作中的几乎任何问题，并且随时可以和任何你认识的人通话沟通，他们大概率会说你疯了。如果你穿越到几百年前，告诉当时的人，说他们以后可以在一天之内，去到这个星球上的任何角落；或者存在各种各样的灵丹妙药，可以将人的寿命延长几十年，他们肯定会说你疯了。
那么，如果现在有人告诉你，以后人们可以像下载文件那样，往大脑里直接传输数据，从而轻松学会各种语言、技能，或者通过控制大脑的某些部分，调节自己的情绪和感觉，再或者通过修复大脑的神经网络，治愈帕金森、阿尔茨海默、抑郁、焦虑等神经和精神疾病 --- 你又会不会说他们疯了呢？
我们要知道的是，科技和文明的进步，从来都不是一蹴而就的。每一步的前进或许非常微不足道，但几十年、上百年、甚至上千年这样的前进，就能引发一次次文明和科技的革命。看过三体的同学们应该知道，低维度的生物是无法直观想象更高维度的世界的，但我们可以通过科技的进步，不断探索和量化那些更高维度的未知。
其实，最重要的问题是，当未来真正到来的时候，当这一切真的发生的时候，你是选择蓝色药丸，吞下之后从梦中醒来，继续相信你想相信的事情，还是选择红色药丸，去探寻这表面背后的真相呢？
事实上，马斯克当前的身家已经达到千亿美元，已经超过了巴菲特，成为了世界第五大富豪。至少以Neuralink当前的规模来说，马斯克还真的不需要寻求外部融资，只用拿出千分之一的资产就足以维持Neuralink正常发展了。
马斯克在这次发布会的一开始也表示，自己并不需要融资，而这次发布会的主要意义就是吸引各种人才加入Neuralink。
或许在我们有生之年，都无法看到真正通过脑机接口技术向大脑输入数据，并由此让我们的生活变得更加高效和美好。但是，每个朝这个目标努力的脚步，哪怕再小，都是值得肯定的。
（注：题图来自The Telegraph. 本文仅代表作者个人观点，与任职单位无关。）
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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