盲人復(fù)明、癱瘓者站立：馬斯克的腦機(jī)接口野心，MEMS的更廣闊舞臺(tái)

·11月30日，馬斯克在其腦機(jī)接口公司（Neuralink）上宣布，Neuralink開發(fā)的腦機(jī)芯片預(yù)計(jì)將在六個(gè)月內(nèi)開始人體臨床試驗(yàn)，并且畫了個(gè)大餅：幫助盲人恢復(fù)視力、讓癱瘓者站立是其首批目標(biāo)之一。 馬斯克創(chuàng)立了特斯拉、SpaceX等公司，深刻改變了新能源汽車、航空等產(chǎn)業(yè)，更在前不久收購了Twitter公司，其旗下公司腦機(jī)接口產(chǎn)品的推出，備受矚目，也讓腦機(jī)接口這一前沿科學(xué)走入我們視野。 腦機(jī)接口本質(zhì)上是一個(gè)大腦信號(hào)傳感系統(tǒng)，而目前市面上唯一的被批準(zhǔn)在人體上應(yīng)用的腦機(jī)接口，主要基于MEMS技術(shù)制造。 什么是腦機(jī)接口？馬斯克的腦機(jī)接口將為產(chǎn)業(yè)帶來什么改變？MEMS技術(shù)在腦機(jī)接口的未來能帶來什么？

馬斯克和他的腦機(jī)接口芯片：充滿科幻感 在12月1日的Neuralink“Show and Tell”活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，漆黑的展示屏上，正不斷顯示出向前滾動(dòng)的綠色條碼，像極了《黑客帝國》電影中由“0”和“1”組成的矩陣。在畫面正中央正緩慢的閃出綠色的“歡迎來到展示和講述活動(dòng)”（Welcome to show and tell）一行字。 這一幕極具賽博既視感的畫面是馬斯克的腦機(jī)接口技術(shù)的最新成果?！斑@不是在模仿《黑客帝國》的屏幕保護(hù)程序，而是真正的神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)?！瘪R斯克強(qiáng)調(diào)。

“這是心靈感應(yīng)打出來的字，是我們的猴子Sake用意念打出來的?！辈贿^馬斯克表示，現(xiàn)在它還并不能使用鍵盤，而是通過把猴子的“意念”轉(zhuǎn)移到人為標(biāo)示出的高亮按鍵上來生成文字，“我并不想夸大這件事，它現(xiàn)在還并不能真正拼寫，這是我們下一階段要做的事”。

馬斯克將Neuralink正在開發(fā)的腦機(jī)接口命名為“Link”，它是一個(gè)硬幣大小的芯片，帶有1024個(gè)電極線程，可被植入大腦的運(yùn)動(dòng)皮層（感覺區(qū)），以刺激神經(jīng)元并獲取數(shù)據(jù)。Link由“類似縫紉機(jī)”的機(jī)器人縫入大腦的微小柔性線上，可收集大腦中的信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由電機(jī)控制輸出。

在多年來動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐基礎(chǔ)上，應(yīng)用于人體的早期植入設(shè)備被設(shè)計(jì)及制造出來，用于恢復(fù)損傷的聽覺、視覺和肢體運(yùn)動(dòng)能力。 研究的主線是大腦不同尋常的皮層可塑性，它與腦機(jī)接口相適應(yīng)，可以像自然肢體那樣控制植入的假肢。在當(dāng)前所取得的技術(shù)與知識(shí)的進(jìn)展之下，腦機(jī)接口研究的先驅(qū)者們可令人信服地嘗試制造出增強(qiáng)人體功能的腦機(jī)接口，而不僅僅止于恢復(fù)人體的功能。

如何與人腦連接？ 大腦是由上千億個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成的, 而且每個(gè)神經(jīng)元與幾千個(gè)或上萬個(gè)神經(jīng)元相連接。刺激信號(hào)在神經(jīng)元間傳遞, 最終形成神經(jīng)沖動(dòng)。 根據(jù)神經(jīng)科學(xué)研究, 在大腦產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)時(shí), 大腦神經(jīng)系統(tǒng)的電磁活動(dòng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化, 并會(huì)體現(xiàn)出某種節(jié)律和空間分布的特征,由此我們可以通過一定的手段在不同的時(shí)間段不同的腦部區(qū)域檢測(cè)到不同類型的腦電波, 再通過信號(hào)處理和模式識(shí)別的手段,從中識(shí)別出人的意圖, 再用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編程, 從而將大腦信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制外圍設(shè)備的控制指令,這就是BCI的基本原理。 與其它的通信控制系統(tǒng)一樣, 一個(gè)BCI系統(tǒng)一般由信號(hào)獲取部分, 信號(hào)處理部分, 輸出設(shè)備組成。

腦機(jī)接口的主要技術(shù) 腦機(jī)接口的技術(shù)體系主要分為硬件層和軟件層。硬件層包括腦電采集設(shè)備和外控設(shè)備。腦電采集設(shè)備包括核心部件和器件、電極、芯片、電源和材料；外控外聯(lián)設(shè)備包括機(jī)械臂、仿生手、無人機(jī)等。軟件層包括生物信號(hào)分析、核心算法、通信計(jì)算和安全隱私。 腦機(jī)理認(rèn)知方面一定程度上也屬于軟件仿真和實(shí)現(xiàn)的重要方面。隨著對(duì)腦機(jī)理的不斷認(rèn)知，采集獲取的數(shù)據(jù)量越來越龐大，未來 將陸續(xù)面臨數(shù)據(jù)壓縮算法和存儲(chǔ)技術(shù)，以及高通量高速數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)确矫娴奶魬?zhàn)。 此外，基于腦電的信息認(rèn)證及信息安全、隱私保護(hù)也將是軟件層重點(diǎn)研究和解決的問題。 腦機(jī)接口的腦電采集設(shè)備主要分為無創(chuàng)和有創(chuàng)兩種技術(shù)方向，也即是需不需要放進(jìn)腦內(nèi)，在現(xiàn)有技術(shù)下，顯然有創(chuàng)技術(shù)感知的信號(hào)更好、更豐富，也能對(duì)大腦進(jìn)行更多干預(yù)。 本次，馬斯克的“Link”芯片，就是有創(chuàng)技術(shù)的采集設(shè)備。

目前唯一的有創(chuàng)商品化腦機(jī)接口：MEMS技術(shù)的廣泛應(yīng)用 腦機(jī)接口本質(zhì)上就是一套感知大腦活動(dòng)的傳感系統(tǒng)，在腦機(jī)接口技術(shù)體系中，MEMS技術(shù)也早被應(yīng)用。 當(dāng)前，大部分植入腦內(nèi)的腦機(jī)接口采集設(shè)備，都處于科研階段，還沒有商用化。 目前在人體上獲準(zhǔn)應(yīng)用的植入式腦機(jī)接口采集設(shè)備，只有一款，叫猶他電極陣列（Utah Array）。它是美國FDA認(rèn)證的可以植入人體的唯一一款記錄單個(gè)神經(jīng)元發(fā)放的電極，這是半永久植入電極（可植入1~2年）的產(chǎn)業(yè)化情況。

MEMS甚至NMES，對(duì)于腦機(jī)接口技術(shù)有著巨大吸引力。MEMS/NMES本質(zhì)上是在微米甚至納米層次的機(jī)械系統(tǒng)，能夠在更細(xì)小的層次感知和操控一切。 傳感器領(lǐng)域有個(gè)充滿科幻性的前瞻預(yù)測(cè)——智能塵埃（智能微塵）——一種超細(xì)小的智能傳感器。 數(shù)以百萬計(jì)或數(shù)十億計(jì)的微小塵埃顆粒，依附營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入體內(nèi)，它們可能會(huì)嵌入整個(gè)人腦的龐大血管網(wǎng)絡(luò)中，或者被吸收到神經(jīng)元本身中。添加某種能與智能塵埃無線連接的外部設(shè)備，你就擁有了一種廣泛而詳細(xì)的方法來記錄和刺激神經(jīng)活動(dòng)。 這或許也是未來科幻級(jí)別的腦機(jī)接口的最終展現(xiàn)：只需服用幾顆藥丸或注射劑，就可以完成腦機(jī)采集傳感器的植入，然后通過智能手機(jī)大小的操控設(shè)備查看信息或操作神經(jīng)。而這，也是MEMS/NMES技術(shù)未來在腦機(jī)接口技術(shù)體系的廣泛應(yīng)用。 此前，馬斯克的腦機(jī)接口公司Neuralink也招聘了大量的MEMS工程師，Neuralink在將自己構(gòu)建為一個(gè)先進(jìn)的MEMS技術(shù)孵化器，重點(diǎn)是生物相容性（對(duì)人類安全）應(yīng)用。前景光明，但未來15年內(nèi)還沒看到突破，專家：馬斯克的認(rèn)知遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于學(xué)界 近年來，得益于生物醫(yī)學(xué)、傳感器、通信、計(jì)算等領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，腦機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。 目前，侵入式腦機(jī)接口可以直接在顱內(nèi)植入電極采集腦神經(jīng)活動(dòng)，能夠獲取到更高質(zhì)量的神經(jīng)信號(hào)?？衫闷颖砻嬗涗浶盘?hào)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上準(zhǔn)確地拼寫單詞，使患者能夠操作電視、打開和關(guān)閉假手，并使用機(jī)械臂執(zhí)行基本動(dòng)作。 當(dāng)前，不少國家和地區(qū)已從國家戰(zhàn)略層面對(duì)腦機(jī)接口進(jìn)行了頂層設(shè)計(jì)。美國于2013年發(fā)布BRAIN Initiative，歐盟于2013年啟動(dòng)Human Brain Project，日本于2014年發(fā)布Brain/Minds Project。
我國于2016年發(fā)布“中國腦計(jì)劃”，“中國腦計(jì)劃”申報(bào)指南于2021年正式公布，“腦科學(xué)與類腦研究”成為“科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目”最早運(yùn)行的試點(diǎn)項(xiàng)目之一，提出了“新型無創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)”“柔性腦機(jī)接口”“面向運(yùn)動(dòng)和意識(shí)障礙康復(fù)的雙向-閉環(huán)腦機(jī)接口”等相關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目。

然而，不少BCI學(xué)界專家依然認(rèn)為Neuralink的技術(shù)并沒有飛躍式的進(jìn)步。加州大學(xué)歐文分校腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)室助理教授An H. Do認(rèn)為，馬斯克的認(rèn)知遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于學(xué)界，但私營企業(yè)雄厚的資源能力能夠讓技術(shù)的迭代效率比學(xué)術(shù)界更高。 在Neuralink的發(fā)布會(huì)上，猴子用“意念”在屏幕上打了一段字。但早在2002年，布朗大學(xué)的一項(xiàng)研究就讓猴子成功地通過BCI在計(jì)算機(jī)屏幕上移動(dòng)了光標(biāo)。 復(fù)旦大學(xué)侵入式腦機(jī)接口硬件系統(tǒng)工程師劉偉介紹，目前侵入式BCI領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)主要有5個(gè)：

1、沒有好的工具讓人去更深入地了解大腦；2、由于電極的材料、植入點(diǎn)位等因素的限制，獲取腦電波信號(hào)的難度很大；3、即便優(yōu)于非侵入式，但侵入式BCI獲取數(shù)據(jù)的信噪比仍然較低；4、解碼腦電波的算法與應(yīng)用場(chǎng)景沒有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系；5、侵入式BCI應(yīng)用場(chǎng)景不明確，導(dǎo)致研發(fā)目標(biāo)不明確。

腦機(jī)接口是個(gè)年輕的行業(yè)，相關(guān)研究以及成果轉(zhuǎn)化無法做到一蹴而就，這也側(cè)面導(dǎo)致行業(yè)自律、供應(yīng)鏈標(biāo)準(zhǔn)尚且存在空白。成立于2015年的非侵入式BCI研發(fā)獨(dú)角獸「BrainCo強(qiáng)腦科技」說：“目前BCI行業(yè)甚至還沒到可以相互競爭的階段，企業(yè)都還在各自探索的階段。” “侵入式腦機(jī)接口離應(yīng)用，我估計(jì)還得至少15年?！苯Y(jié)合目前的技術(shù)水平和模糊的應(yīng)用場(chǎng)景，劉偉估計(jì)，“目前也就僅限于疾病的探索，疾病的治療、疾病的診斷都談不上?！苯Y(jié)語 馬斯克在Neuralink的活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)上，為大家描述了腦機(jī)接口的美好未來，并表示讓盲者重見光明、讓癱瘓者重新站立將是不遠(yuǎn)的目標(biāo)。 誠然，腦機(jī)接口十分具有科幻性，并將為人類帶來巨大福音。但目前正如許多專家認(rèn)為，仍存在許多技術(shù)缺陷亟待攻克。 而MEMS技術(shù)目前是唯一批準(zhǔn)用于植入人體的腦機(jī)接口采集設(shè)備的主要制造技術(shù)，腦機(jī)接口的究極形態(tài)，會(huì)否是一個(gè)個(gè)由MEMS/NEMS技術(shù)制造的微型機(jī)器人，在人體內(nèi)工作？ 我們期待腦機(jī)接口的未來。

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審核編輯黃昊宇