腦機接口系統，能否夢想成真？

人腦植入芯片的研發源自Neuralink公司，它致力于神經技術研究，開發的產品相關傳說中的BMI腦機接口，通俗地說，就是把人腦和芯片連接起來。這家公司屬于現代版鋼鐵俠馬斯克的企業，按照他本人的說法，短期內公司要解決的是一些人類疾病或醫療相關的問題，而終極目標則是人類增強，或者叫超人類主義（transhumanism）。

Neuralink開發了某種芯片及配套解決方案，通過一種非常細且密集排布的線（thread）連接到大腦上。在Neuralink描繪的概念圖里，芯片本身會以可穿戴設備的形式掛在人耳上。這顆芯片會連接至一些傳感器——傳感器就放在腦殼上，這些傳感器再穿透頭蓋骨，通過很多條線連接到大腦皮層。

這套方案實際要解決的問題是非常多的，而Neuralink這次宣布的技術主要集中在到底用何種線材，怎么把這些線“插”進大腦中去，以及芯片和軟件大致該做些什么。這方面的研究，實際不光是Neuralink在做，過去臨床醫療領域就有不少的嘗試。

系統包含三個組成部分：極為精細的聚合物探針（插到大腦中），一臺神經外科機器人（專門負責插線），以及外部的芯片和配套方案（Neuralink稱其為定制化的高密度電子技術）。那么這種技術究竟有什么用呢？核心就是“在大腦和機器之間傳輸高保真的信息”，作用肯定不是用意念發電或變超人這么玄幻，典型的比如說神經義肢控制機械臂，還有人工語音合成之類，讓截肢者可以重新走路，讓語言障礙人士能借助外部設備重新說話——現有的一些研究成果就有這樣的方案。

另外就醫學研究來看，針對大腦的不同位置、不同深度，比如負責語言、視覺、聽覺、運動等部位進行“插線”操作，本身也都是有價值的，對于人體和大腦研究都是重要的技術成果產出。至于社交網絡上渲染的科幻小說級別的成果，咱還離得有點兒遙遠。

在已經發表的paper中，Neuralink演示了現有成果應用到一只實驗鼠身上，下圖右邊的這只實驗鼠頭上有個USB-C口，3072個電極也就有3072個通道傳輸（似乎在實驗中嘗試植入44根線，但只成功了40根，也就是實際成功插入這只實驗鼠腦中的總共應該是1280個電極），不知道這個USB接口的具體傳輸規格如何。左邊這張圖就比較恐怖了，是手術期的一張照片，展示了這只實驗鼠腦皮層表面，其上植入的這些線。

這是一只Long-Evans鼠，Neuralink在paper中強調他們的實驗完全符合《實驗室動物關懷與使用指導原則》。

我們首先來了解一下這個USB接口部分。實際上從外部能夠看到的USB接口，直接就連接著一套電子相關的解決方案，即接口下方的部分——這部分肯定不需要植入到大腦內部，未來如果真的應用于人腦理論上也不會是這種形態。所以它本質上是個實驗室產品，其完全體是下面這樣的：

A為可處理256個數據通道的ASIC，總共有12個ASIC，一共處理3072個通道;B就是聚合物線了，只不過這里放在了parylene-c基板上，在這些線插入大腦以前需要這層膜;C為鈦金屬材料的外圍;D是數字USB-C連接器。

電極（electrode sites）就將大腦信號傳輸到這個模塊上。這個模塊設計的難點包含了多個方面，一部分是因為它需要長期進行數據記錄，所以就連封裝也有較高的要求。考慮到記錄通道眾多，這就要求信號放大、數字堆棧整合到同一個陣列上。這個模塊的工作包含了放大神經信號（<10 Vrms），同時過濾帶外噪聲，將放大的信號進行采樣和數字化，并進行實時處理。由于是穿戴的，所以功耗和尺寸也都必須要小。

實際上，就Neuralink的技術來說，上面的芯片相關部分算不上是重點，真正的重點在于前端連接大腦皮層的部分，也就是“連接線”和植入線的那臺機器。

“縫紉機”機器人

先來說說連接所用的“線材”和接頭，Neuralink專門開發了生產神經探針的生產工藝，需要用到高吞吐的生產設備來實現“晶圓級別的微生產工藝”。這樣一來，探針在插入到大腦以后可以確保很小的位移，其上用了多種具備生物相容性的薄膜（thin film）材料。主要的基質和電介質材料為聚酰亞胺（就是近期日本宣布禁止對韓國出口的一種半導體原材料），每個薄膜陣列包含了兩部分，分別是“線”區和“傳感”區。線區很容易理解，就是電極觸點;傳感區則是連接前文提到芯片的部分了。

這里所謂的薄膜“陣列”，每個陣列實際就包含了48或者96根線，每根線又有32個獨立的電極。這么做是為了讓線的截面足夠小，這樣一來也就讓大腦組織的位移最小化了，其間需要用到步進式光刻（stepper lithography）和其他微生產工藝，這樣通道數量才會比較密集。

Neuralink設計和生產了超過20種不同類型的線和電極，寬度從5μm到50μm不等，厚度一般為4-6μm——包含了三層絕緣層和兩層導通層，長度大約為20mm。上面展示的是其中兩種。每根線頂端是16μmx50μm的一個圈，是為了讓“縫紉機”針頭“引線”的。另外還有針對較小的幾何表面積，增加有效電荷負載能力，采用PEDOT：PSS和氧化銥也都是個中生產的細節。

那么Neuralink的這種“柔性”線又怎么直接插到大腦里面呢？顯然它不夠硬，所以就需要有個專門負責插線的裝置來做這件事。這也是Neuralink開發“縫紉機”的原因。有關“縫紉機”本體，也就是所謂的神經外科機器人，這部分應該是Neuralink的核心技能。

這臺外科手術機器人的一個重要優勢在于效率比較高，就是“縫紉”速度比較快，每分鐘可以植入6根線，每根線的精度也是微米級別的。

這臺機器人的核心技術在于，頭部位置有一個成像系統，引導插針進到線材頭部的環中，還有目標確認等作用。頭部包含了6個獨立的光模塊，分別都能獨立發出405nm、525nm和650nm或白光，這些都是用于插針各種微米級定位操作的。還有集成的軟件能夠規劃插入路徑，并且確保線不會糾纏或者過緊。全套的這種計算機視覺系統，還能避開大腦表面的血管，把線插進去。

另外就是不僅支持自動化操作，而且也可以由醫生來全手動操作進行微調，從實驗數據來看，Neuralink總共用它執行了19次手術操作，植入成功率在87.1±12.6%，好像問題還比較大。

前面看到的只是針對實驗鼠的一套解決方案，未來如果真正應用到人腦，接線數量和處理算力預計還將增加。Neuralink表示，目前采用USB口連接外部系統的方式未來會改為無線通訊;此外外科手術需要在頭蓋骨上鉆孔，這會讓人感覺到不爽，未來期望能用激光束穿透頭蓋骨，只打小孔，這是對技術的一些展望。

但有部分科學家表示實驗室針對動物的研究結果很可能無法成功轉移到人身上。霍華德休斯醫學研究所（Howard Hughes Medical Institute）高級研究員Tim Harris說：“如果這項技術要用到人身上，至少再等個5年。這個復雜程度的植入手術，一兩年是不夠的。”