向天線寶寶“借”根天線？最新腦機接口研究實現雙向控制
近年來，有一種玄乎的技術逐漸進入大眾視野，它就是腦機接口。
到目前為止，科學家們通過腦機接口技術已經實現了讓猴子用意念打電玩，讓殘疾人用意念打字等等。但無論如何，這些應用距離“人機合一”科幻場景還有著十萬八千里的距離。不過大家莫急，科技發展的速度永遠會超越你的想象。本周，布朗大學領導的聯合團隊推出了一款微型植入傳感器網絡，并取名為“神經顆粒”。就像咖啡離不開咖啡伴侶，豆漿離不開油條，團隊還給“神經顆粒”外搭了一款無線“信號塔”，用于在頭皮上發射信號。
（似乎和某個搖搖擺擺的可愛生物有了特殊的聯系）
團隊表示，這款內外呼應的腦機接口系統，不但能讀取和翻譯神經信號，還能反向刺激大腦的神經活動，實現腦機接口的雙向控制。8月12日，論文以 Neural recording and stimulation using wireless networks of microimplants 為題目的發表在 Nature Elecotronics 期刊上。
老實講，腦機接口的利弊占比到現在還沒有個明白的討論結果。To 植入 or not 植入，這恐怕是一個令莎士比亞大哥也會腦殼疼的問題。
在深入了解這款黑科技之前，讓我們先來看看腦機接口的現狀。一般來說，腦機接口是指計算機等設備在獲取中樞神經產生的大腦信號后，對其進行分析并轉化成可操作指令的系統。通過植入性或頭戴設備，外部設備可采集大腦活動所產生的電場、磁場或血紅蛋白氧合等參數。按侵入性由淺到深和信息分辨率由低到高排個序，目前最主流的三種腦機接口分別是帶在頭上的腦電帽（EEG）；讀取大腦皮層信號（ECoG）的芯片；以及植入腦皮質內部的電極（Intracortical BCI，iBCI）。
圖 | 腦機接口的三種形式示意圖
而最新的無線“神經顆粒”就將大腦皮層信號采集（ECoG）和腦外無線傳感器結合在了一起，形成了一個內外呼應的信號傳遞系統。在這之前，讀取大腦皮層信號（ECoG）的一兩個傳感器至多能采集幾百個神經元的活動信號，但和人類大腦內 860 億個神經元相比，這幾百個神經元所能提供的信息實在是過于匱乏。鑒于此，研究人員成功將 48 個鹽粒大小的“神經顆粒”植入了小鼠的大腦皮層，好好地把“鼠頭鼠腦”給研究了一番。根據計算，在未來可以在小鼠大腦內植入多達770個甚至數千個“神經顆粒”，這將使人類首次在“科學”的意義上理解活著的大腦的奧秘。當然，羅馬并不是一日建成的。這項技術花費了來自布朗大學、貝勒大學、加州大學圣地亞哥分校及高通的專家們大約四年時間， 集電磁學、射頻、電路設計制造和神經科學的前沿技術于一身。布朗工程學院教授 Arto Nurmikko 表示：“腦機接口領域的最大挑戰之一就是找到盡可能探測大腦各個區域的方法。到目前為止，大多數植入腦皮質內部的電極有點像針床。我們的想法是將這些一片片的針床分拆成可以分布在大腦皮層上的微芯片。”
圖 | 神經顆粒示意圖（來源：論文）
為了達成目標，團隊首先需要在保持硅芯片功能的基礎上將它們的體積減縮到最小。經過無數的模擬和數代更迭，團隊最終研制出了體積小于 0.1 立方毫米的“神經顆粒”。其次，團隊需要開發一個外部無線接收系統。這是一個拇指指紋大小的貼片，附著在頭骨外的頭皮上。它的工作原理就像一個微型手機發射塔，使用網絡協議來協調來自“神經顆粒”的信號。與電腦一樣，每個“神經顆粒”都有自己的 PUF 地址，也就是自己的身份證。這樣科學家就可以追蹤是哪個大腦區域發布了特定的信號。不僅如此，無線貼片還可以向大腦內的“神經顆粒”提供無線充電服務，就好比買電動汽車送個移動充電樁，不得不佩服科學家們想的周到。在研究中最具爭議性的恐怕是“神經顆粒”的雙向控制功能。事實上，記錄大腦功能和了解大腦的神經活動只是腦機接口界的研究方向之一。為了治療各種精神和神經系統疾病，幫助癱瘓、中風或脊柱損傷的人士恢復正常生活能，對大腦實現可控刺激一直以來都是腦機接口領域的重要研發課題。
圖 | 小鼠手術示意圖（來源：論文）
在這項研究中，團隊針對植入的單個“神經顆粒”進行了 100 Hz 的皮層內電脈沖刺激，電流高達 25 μA。小鼠大腦內 48 個“神經顆粒”中有多個捕捉到了刺激后局部場電位（LEP）變化。在另一個實驗中，團隊以 100 ms 為單位提供了快速 400 Hz 的電脈沖刺激。在氯胺酮麻醉下，研究人員觀察到了典型的神經元簇狀放電。
論文稱，目前電流刺激的最大水平取決于芯片功率的水平，未來團隊還將調節整個“神經顆粒” 網絡的刺激幅度。
“神經顆粒” 系統可以稱之為雙向腦機接口領域的重大里程碑，它的輕便和無線等特性都極大地推進了這個領域發展。一直以來，雙向腦機接口都是游戲、教育和軍事安全等領域研發的熱點。2019年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）推出了下一代非手術神經技術（The Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology，簡稱N3 )。DARPA 稱， 佩戴這種雙向腦機接口的士兵將可以用意念控制無人機、拆彈機器人等，并在復雜的軍事任務中成功地執行多任務。 對于很多這個領域的科學家來說，他們 最終的夢想是通過腦機接口實現直接的腦對腦交流 （brain-to-brain communication），也就是意念溝通和讀心術的境界。大腦和計算機之間的雙向接口最終將導致開發一種“腦對腦接口”（BBI），在這種接口中，來自個體大腦的神經活動由計算機連接和調節。當然，這中間還有巨大的技術和倫理的障礙需要跨越。
（來源：great learning）
如果你認為“腦對腦接口”就是人類想象的極限，那也太小看科學家們的腦洞了。 在 2019 年的一篇博客文章中，計算神經學家 Niko Kriegeskorte 提到了“神經協處理器”（neural co-processor），它將把焦點從接口 (讀取和寫入大腦活動的地方) “轉移到如何增強設備的信息處理功能上”。在這個概念中， 腦機設備將與大腦一起補充大腦的神經活動，協助大腦處理信息。 神經協處理器甚至可以從大腦的一個區域讀取神經信號，并將信號寫入大腦的另一個區域。而這將為 大腦增強（Brain augmentation） 這個更加“瘋狂” 的想法鋪平道路。未來有如此多的可能性，你準備好先在自己的腦仁兒里種上幾十個“神經顆粒”了嗎？
參考資料：
https://www.brown.edu/news/2021-08-12/neurograins
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00631-8
https://www.darpa.mil/program/next-generation-nonsurgical-neurotechnology
本文來自微信公眾號 “學術頭條”（ID：SciTouTiao），作者：劉芳，編審：王新凱，排版：陸欣怡，36氪經授權發布。
