大腦如何連接機器丨混亂檔案室【圖文】_風聞

生死去來，棚頭傀儡，一線斷時，落落磊磊。

                                                  ——世阿彌

文｜樹新蜂

1982年，科幻小説作家威廉·吉布森（William Gibson）在其小説《神經漫遊者》（Neuromancer）中將人與工具的關係推演到了前所未有的境界。具體表現為，通過人腦與機器的神經鏈接，人們可以由此進入一個被稱為賽博空間（cybersapce)的虛擬世界，為不同的利益集團提供信息網絡技術上的服務來謀生，包括但不限於防衞、進攻、偷竊、偽造數據（聽起來似乎很耳熟）。1996年上映的《攻殼機動隊》（Ghost in the Shell）及千禧年上映的《黑客帝國》（The Matrix）皆由此演化而來。

其中神經鏈接的橋段被人民羣眾戲稱為「腦後插管」。而在科學界，關於腦機神經連接的研究也一直是廣大Geek們所心馳神往的項目，但在信息技術和材料技術得到爆炸性突破之前，一直停留在理論假想階段。在進入21世紀後，各種腦機結合的嘗試才有了可能性。例如以視覺誘發電位VEP（visual evoked potential），也就是捕捉大腦活動特徵峯信號為基礎發展的腦機交互。

2019年7月17日，Elon Musk公佈了一項新的關於腦機接口的研究成果並表示有望將其商業化。

       

Elon Musk和他的Neuralink

Musk的團隊選擇了侵入式的連接交互技術（BIC, Brain-Computer Interface）：即向大腦內植入神經芯片和傳感器等設備。

       

Neuralink的植入系統，包含芯片、薄膜和線

和其他研究團隊的產品比起來，Musk的植入線採用了更加先進的技術，使得單線直徑保持在4~6μm。相較於以往的30μm直徑的單線，這有效降低了其對人腦可能造成的影響。同時，這套系統在96根「線」上分佈着3072個電極作為信息採集單元，相較之BrainGate的128個電極，可傳輸更多的數據。

       

1.插入器用線程接近大腦代理。其中（i）為針和插管  （ii）為已經插入的線程。  2.插入器觸及大腦代理表面  3.針穿透組織代理，將線推進到所需的深度，其中 （iii）為插入線程。4.插入器拉開，將線留在組織代理中。其中（iv）為插入線程。

Musk團隊同時還研發了一台嵌入BIC用的機器——一台專用的神經外科手術級機器人。它能夠在人的大腦中植入線時避開血管，避免可能引發的炎症和不良反應。上文提及，前端連接大腦皮層的部分實際上是一個採集點列陣，而且需要將其植入或者更確切的説「縫」進大腦，就好似縫紉機一般的運作。為了確保點位精確以及非常小的位移偏差，人手並不足以勝任這項工作，而只能由「高吞吐，晶圓級別的微生產工藝」的機器人來實現。

       

與Elon Musk的Neuralink初創公司有關的研究人員提出了一種類似縫紉機的系統，用於植入柔性電極，以建立大腦和計算機之間的通信鏈路。

       

​機器人電極插入器;插圖中所示的插入器頭的放大視圖。A.加載針頭針筒。B.低力接觸腦位置傳感器。C.具有多個獨立波長的光模塊。D.針式電機。E.插入時四個攝像頭中的一個聚焦在針上。F.相機與外科領域的廣角視圖。G.立體攝像機。

Musk 團隊為整套系統提供了一種定製芯片，能對數據進行更好的採集、處理、分析和放大信號等工作，且高度集成化，目前已經可以被整合進「N1傳感器」產品中。儘管目前這套系統只能通過USB傳輸數據，但是Neralink總裁Max Hodak説道他們的最終目的是建立一個無線系統。

        

封裝的傳感器設備：圖中A為個人神經處理芯片ASIC，能夠處理256個通道的數據。這種特殊的封裝器件包含12個這樣的芯片，總共3,072個通道。B為聚對二甲苯-C襯底上的聚合物線。C為鈦外殼（取下蓋子）。D為用於電源和數據的數字USB-C連接器。

然而負責數據處理的N1芯片等後台在目前的方案中並不算是重點。真正的重點在於前端植入部分。

侵入式植入的難點自然是與生物性相容以及長期穩定的在定點接收數據。 因此一般方案會採用剛性材料。由於複雜的腦部環境反過來會限制這種方案的神經訪問數量。而柔性材料在這方面有優勢，通過利用一種主要基質和電介材料為聚酰亞胺的薄膜，把這些包含傳感器的線縫在大腦的固定位置上。

       

螺紋植入和包裝。A.一個示例圍手術期圖像顯示皮質表面植入線和最小出血。B.長期植入大鼠中的包裝傳感器裝置。

再在膜上用線佈置密集陣列。每個陣列包含48根線，每根線有32個獨立電極，以此確保單根線的橫截面足夠小。

        

新型聚合物探針   A：「線性邊緣」探針，32個電極觸點間隔50μm。B:「樹」探針具有間隔75μm的32個電極觸點。C.增加了面板A中螺紋設計的單個電極的放大倍數，強調了它們小的幾何表面積。D.兩種表面處理的電極阻抗分佈（在1kHz下測量）：PEDOT（n = 257）和IrOx（n = 588）

想像一下，大腦就好像一塊嬌嫩的豆腐，如果你用手指這麼粗的電極去插它，儘管因為夠粗信息流夠大，但是原本在它上面規劃好的座標點就會發生極大偏移；相反如果拿一排極為纖細的毛刷去插它，這種影響就會小很多。

       

泥鰍鑽豆腐

目前，根據白皮書計劃的內容來看，Neuralink已經進行了至少19次的動物實驗，並且成功的設置了其系統，使得動物能夠直接通過神經電流與機器進行交互。其宣稱的植入成功率已經達到87.1±12.6%.

在發佈會後接受採訪時，一貫語出驚人的Musk甚至表示他們團隊已經成功讓一隻猴子通過大腦來控制電腦。（This is a sensitive subject. A monkey has been able to control a computer with its brain)

Neuralink計劃最早將在明年獲得FDA的臨牀實驗許可。臨牀實驗的內容為，Nerualink將在癱瘓者的頭骨上鑽四個直徑8㎜的孔並用機器植入整個收集處理系統，使得癱瘓者能夠通過系統控制電腦和手機。

       

一項新的技術面世，不可避免的會遇到很多問題和挑戰。

植入部分的材料在人體環境內的穩定性，耐久性，相容性仍然缺乏足夠的證明。在植入後如果設備出現問題，要更換或是清除殘留材料不完全，亦或是材料性質發生改變，生理性異變引起的堵塞和功能不全等。對公司而言的售後、維修、保修的服務，以及責任承擔等法律問題，乃至個人所冒的風險更是難以估計。

目前的已有的案例，集中在一些具象化的課題描述上。比方説小鼠實驗，本質上是替代眼手腳等對一些初級反應的替代，就好像你操控鼠標在圖標上點來點去，但打字，輸出語言圖像那就完全是另一碼事。而關於意識領域的很多細節，對於神經科學，我們仍然缺乏足夠的認知。

如果成功突破上述的兩個難題，神經接口的商業應用也許很快就會來臨。那麼「攻殼機動隊」中不斷被追問的「我是誰」，「我之所以為我，究竟僅僅是外部輸入的信息構成，還是存在着超越物質和信息的靈魂或是本我？」這些問題將不再只是藝術家和科幻愛好者們的想象，或是某種空泛的哲思，而是成為現實中每一個人都需要面對的拷問。