科學(xué)怪人開頭顱，首創(chuàng)人腦機(jī)器！埋入1萬個(gè)微米電極竊聽大腦，馬斯克腦機(jī)將植入人體
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重量為2斤半，耗電量?jī)H為20W，相當(dāng)于一個(gè)電燈泡的耗能。
但是，它卻創(chuàng)造了生物電子學(xué)的無限奇跡！
腦研究的核心是應(yīng)用傳感器技術(shù)。
無論是我們熟悉的頭皮電極、核磁共振成像，還是新開創(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(shù)字研究機(jī)構(gòu)Imec開創(chuàng)了Neuropixels探測(cè)器，即建立一種新的探針，以神經(jīng)元水平觀察活體大腦。
光是第一代Neuropixels探測(cè)器，就已向全球交付約650個(gè)實(shí)驗(yàn)室使用。與此同時(shí)，Imec還創(chuàng)建了OpenScope共享大腦天文臺(tái)，向世界各地大腦研究者提供開源數(shù)據(jù)。
這是一個(gè)全球共享的神經(jīng)科學(xué)研究設(shè)施，相當(dāng)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，這是一種觀察大腦活動(dòng)的全新技術(shù)。它的功能類似于成像，不過，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(duì)話。
杜塔任職于Imec，他使用了最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造設(shè)備；哈里斯工作于HHMI（霍華德·休斯醫(yī)學(xué)院），他是資深的神經(jīng)科學(xué)家。
杜塔將他的半導(dǎo)體知識(shí)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(nèi)，對(duì)其局部神經(jīng)回路，記錄每個(gè)神經(jīng)元的尖峰。」哈里斯說。
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(tuán)隊(duì)，包括工程師、神經(jīng)科學(xué)家、軟件設(shè)計(jì)師等人員。
科學(xué)家們展開探索，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(jiān)聽任何一小部分腦組織中、成千上萬個(gè)神經(jīng)元之間的電流對(duì)話。
科學(xué)家發(fā)明的這個(gè)系統(tǒng)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，「我們提供芯片，然后世界各地的實(shí)驗(yàn)室用它們編寫代碼、做實(shí)驗(yàn)」。
要建造一個(gè)數(shù)字探針，時(shí)間足夠長(zhǎng)，可以到達(dá)大腦器官的任何部分，但又足夠細(xì)小，在進(jìn)入的過程中不會(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(nèi)讓它彎曲，從而長(zhǎng)期存在也不至于損壞鄰近腦細(xì)胞。
當(dāng)大腦引導(dǎo)身體完成復(fù)雜的行為時(shí)，探測(cè)器需要足夠持久，才能保持原位并可靠地記錄數(shù)周甚至數(shù)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，也為未來的腦機(jī)接口鋪平了道路。
時(shí)間回到上個(gè)世紀(jì)50年代，研究人員使用了一種原始的電子傳感器，來識(shí)別帕金森病患的神經(jīng)元失活。
經(jīng)過了70年的發(fā)展歷程，隨著微電子學(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(zhǎng)足的進(jìn)步。
2021年，該系統(tǒng)升級(jí)為2.0版本。相比4年前的初始版本，增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)的傳感器數(shù)量。
現(xiàn)在，3.0版本已經(jīng)處于早期開發(fā)階段。
科學(xué)家相信，神經(jīng)像素將按照摩爾定律指數(shù)式增長(zhǎng)。
而這，還僅僅是一個(gè)開始。
研究大腦的生物學(xué)專家建議實(shí)驗(yàn)人員用金或鉑做電極，然后用有機(jī)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(yàn)人員進(jìn)行了一些研究，并做了大量的工程設(shè)計(jì)。最終，Silke Musa發(fā)明了一種氮化鈦，這是一種極其堅(jiān)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(duì)獲得電流和清除信號(hào)非常有幫助，而無需加熱附近的細(xì)胞，從而產(chǎn)生噪音，破壞數(shù)據(jù)。
多虧了大量的材料科學(xué)研究和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的一些相關(guān)技術(shù)，研究人員現(xiàn)在能夠控制硅桿和氮化鈦電極沉積和蝕刻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
如此一來，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。
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(zhǎng)度之內(nèi)，探針的長(zhǎng)度足以達(dá)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(shè)備可以在嚙齒動(dòng)物正常生活的同時(shí)，連續(xù)六個(gè)月從相同的神經(jīng)元收集數(shù)據(jù)。
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，就引發(fā)出了一個(gè)問題，那就是：當(dāng)探針在大腦中不可避免地隨著大腦的移動(dòng)而移動(dòng)時(shí)，應(yīng)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)過了六個(gè)月的推擠活動(dòng)，整個(gè)探測(cè)器可能在大腦內(nèi)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)元來來去去的場(chǎng)景。
（目前最常見的神經(jīng)紀(jì)錄裝置）此外，每個(gè)柄上的1,280個(gè)電極都是單獨(dú)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(shù)，這非常類似于CMOS照相機(jī)拍出的圖像。
這種相似性讓研究人員意識(shí)到，神經(jīng)元相對(duì)于像素的位移問題和IS系統(tǒng)非常相似。
就像在拍攝的時(shí)候搖晃攝像機(jī)一樣，大腦中一塊區(qū)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(jī)抖動(dòng)問題，來解決探測(cè)頭晃動(dòng)的問題。而隨著穩(wěn)定軟件的應(yīng)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(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)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。
研究人員編寫了控制程序，實(shí)現(xiàn)了高采樣率，能捕捉到大量數(shù)據(jù)。是CMOS成像芯片通常能記錄的500倍。
但目前該設(shè)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(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步將進(jìn)一步緩解未來幾代人內(nèi)緩解現(xiàn)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?cái)?shù)量也增加了一倍，整體像素?cái)?shù)量更是增加了十倍以上，而外部電子設(shè)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)在開發(fā)中，將在2025年左右發(fā)布，保持四年一發(fā)布的節(jié)奏。在3.0版本中，研究人員預(yù)計(jì)，像素?cái)?shù)量將再次躍升，可以監(jiān)控大約5萬到10萬個(gè)神經(jīng)元。
同時(shí)，小組還打算繼續(xù)添加探測(cè)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)怪人開頭顱，首創(chuàng)人腦機(jī)器
2014年，美國(guó)有一位年近7旬的神經(jīng)學(xué)家Phil Kennedy（菲爾·肯尼迪）竟鋸開了自己的頭骨，往大腦內(nèi)植入了電極。
當(dāng)時(shí)因一直找不到實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究經(jīng)費(fèi)也即將枯竭，Kennedy才出此下策對(duì)自己大腦開刀。
這場(chǎng)腦部手術(shù)共持續(xù)了11個(gè)半小時(shí)，其實(shí)進(jìn)行的并不太順利。
Kennedy在醒來時(shí)竟失去了說話的能力。
他這么做就是為了打造一個(gè)語音****，讓無法發(fā)聲的患者通過腦機(jī)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，被許多人稱為「半機(jī)器人之父」。
他在上世界90年代研發(fā)的侵入式腦機(jī)接口就讓一名重度癱瘓者學(xué)會(huì)用大腦控制電腦光標(biāo)打字，讓別人可以「聽到」他的聲音。
在腦機(jī)接口上的研究可以說是數(shù)不勝數(shù)，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(shè)備只有硬幣大小，用手術(shù)植入頭骨，充滿電可用一整天。
馬斯克講到，腦機(jī)接口最本質(zhì)的就是「連線」問題（wiring）。
現(xiàn)場(chǎng)，馬斯克就展示了已經(jīng)植入Neuralink設(shè)備兩個(gè)月活蹦亂跳的健康小豬。
實(shí)驗(yàn)主要是植入芯片后，能直觀看到豬的腦活動(dòng)，演示人員撫摸它的鼻子時(shí)，豬的神經(jīng)開始興奮。設(shè)備連接的1024個(gè)電極作用下，它腦內(nèi)的電波信號(hào)，清晰可見。
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(yàn)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。
隨著腦機(jī)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(jī)，速度將會(huì)比手指還要快。
馬斯克在去年曾表示，腦機(jī)接口將于今年用于人類。
腦機(jī)接口未來可期。
來源：腦機(jī)接口
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