夸大其辞?马斯克最新发布的脑机接口系统有多疯狂

这次发布也是Neuralink成立两年以来最重磅的一次成果发布。不过,这一举动与学术界的惯例相悖,在发表论文之前,就进行了成果的新闻发布。

人类迈向“Cyborg”(生化电子人)的进程,一直与一个前沿技术的发展紧密相关,那就是脑机接口。

今天,马斯克为其投资的脑机接口初创公司 Neuralink 召开了一场发布会,首次对外披露了这家公司在脑机接口上的最新技术进展以及未来展望:Neuralink 演示了其已经在小鼠身上实验过的一款设备,该设备可将 1500 个电子探针送入小鼠大脑,能够同时从多个神经元中提取信息。目前,Neuralink 的这款设备已经在动物身上进行了至少 19 次手术,植入电线成功率达 87%。

图丨Neuralink 展示探针设备成功插入过程(来源:Neuralink)

为了高效实现脑机接口,这个设备使用了一款名为“缝纫机”(sewing machine)的探针设备,将类似玻璃纸的柔性导线成功插入到小鼠的软组织中。这个操作也意味着 Neuralink 打造的脑机接口产品将是一款侵入式的产品。

“缝纫机”位于头部之外,使用激光束形成小孔刺穿头骨,在大脑中植入一个无线接收信息模块,通过信号传到神经元系统,允许已经瘫痪在床的病人,控制手机或计算机等电子设备,听到自己的声音,形成记忆。另外,该方法也有可能用于治疗抑郁症。

这次发布也是 Neuralink 成立两年以来最重磅的一次成果发布。不过,这一举动与学术界的惯例相悖,在发表论文之前,就进行了成果的新闻发布。

Neuralink 成立于 2017 年,总部设在旧金山,聘请了多位美国重点大学研究神经领域的科学家,来共同研究高效实现脑机接口的方法。马斯克表示,最快在明年年底,能够在患者身上使用这项技术。

但与此同时,该研究成果面临很多的挑战。这项突破由加州大学 Tim Hanson、Philip Sabes,以及加州大学伯克利分校教授 Michel Maharbiz 完成,他们也是 Neuralink 的创始团队。Tim Hanson 此前在接受《麻省理工科技评论》采访时表示,马斯克所追求的高密度记录技术对于特定的大脑疾病并无必要,不一定是人类选择治疗特定脑部疾病的方法。

他表示,这种技术更适合研究动物基础科学,用在人身上有点为时过早

当然,马斯克也在今天发布会上表示,这不是一种与人工实现某种共生的方法,“这不是强制性的事情,而是你可以选择做的事情。

Neuralink的进展究竟是什么?

Neuralink 的脑机接口新技术,核心一共有三部分。

第一个是灵活的“线程”。线的直径宽度为 4 至 6 μm,比人的头发丝(约 75 微米)还要细。

目前,实验性脑机接口使用的是刚性金属电极;犹他阵列可容纳 100 个由硅制成的坚硬针头,用气枪将其射入大脑。这些针头发射时捕捉神经元中的电信号效果非常好,不过这种方式不仅会损害大脑,而且设备寿命也很短。

而 Neuralink 又发明了另一种由微小电极或传感器连接的柔性导电线,与其他脑机接口中使用的材料相比,不仅对大脑损害性更小,而且还能传输更多数据。

根据早前发布的 “Elon Musk&Neuralink” 白皮书显示,这种材料分布在 96 个线程上的每个阵列中,能够容纳多达 3072 个电极。值得注意的是,这个电极也不简单,是由碳纤维或聚合物制成的,但是这种轻薄电极无法直接植入到大脑,通过柔性线和机器就可以直接导入。

第二个是用于插入线程的机器。Hanson 曾表示,这个机器是 Neuralink 在大脑内部研究的“杀手锏”。

由于大脑在头骨中是不断移动的,Neuralink 的技术比犹他阵列更难以植入。正因如此,他们开发了一种“神经外科机器人”,能够每分钟插入六根线(192 个电极),整个过程,特别像缝纫机去缝针。

图丨用于插入线程的“神经外科机器人”(来源:Neuralink)

他们通过发明的机器,将轻薄的柔性电极植入大脑当中。

第三个就是 Neuralink 开发了一种定制芯片,被命名为“N1 传感器”。芯片尺寸比手指还小。该芯片的作用能够更好地读取、清理和放大来自大脑的信号。但目前,只能在老鼠身上进行实验,通过 USB-C 的有线连接方式传输数据。

Neuralink 表示,这颗定制芯片所提供的电流大约是目前最强的传感器的 10 倍。但这远远不够,这个部分的最终目标是创建一个无线工作系统。

图丨Neuralink 所研发的定制芯片(来源:Neuralink)

在 N1 芯片中,植入了四个传感器,其中三个位于运动区域,另一个位于感受区域。唯一外置的设备安装在耳后,内含一枚电池。

这颗芯片可以提供云端支持,通过无线连接,甚至可以与 Neuralink 在 iPhone 上的应用程序进行互动。

具体的“侵入”过程是,自主神经外科机器人利用计算机视觉系统来引导一根五微米厚的包含电线和绝缘材料的针头进入大脑(这样做避免破坏血管),电线直径约为人类头发直径的四分之一,连接到不同的位置和深度的一系列电极。机器人最快每分钟可以插入 6 根包含 192 个电极的电线。

这些电极将检测到的神经脉冲传递到头骨表面的处理器,处理器能够读取多达 1536 个通道的信息,这大约是目前可植入人体系统的 15 倍。而且,它符合科学研究和医学应用的基本底线,并可能优于竞争对手比利时 Imec 公司的神经像素技术(Neuropixels technology),该技术可以同时从数千个不同的脑细胞收集数据。

发表在 Neuralink 白皮书上的一篇摘要指出,Neuralink 已经在动物身上进行了至少 19 次手术,植入电线成功率达 87%。

在演讲中,马斯克暗示,Neuralink 已经在灵长类动物身上取得了成果。“我们不得不提到一只猴子。这是一个敏感的话题。这只猴子已经能用大脑控制电脑了。”

脑机接口硬件开发,高分辨率是挑战

高分辨率的脑机接口(简称 BCI)是相当复杂的。它们必须能够读取神经活动,以便能够找出执行哪些任务的神经元群。植入电极非常适合处理这种情况,但从历史来看,硬件的限制导致它们会接触到大脑的多个区域,或产生干扰。

随着精细的生物相容性电极的出现,这种情况发生了改变,这种电极可以限制干扰,并能精确地瞄准细胞簇。然而,我们依然对某些神经过程缺乏了解。

图丨 N1 传感器(来源:Neuralink)

很少有活动与大脑区域,如前额叶和海马体是分离的。相反,活动发生时大脑的不同区域都会有响应,因此很难确定位置。然后还要把神经电脉冲转换成机器可读的信息。研究人员尚未破解大脑的编码,而且来自视觉中心的脉冲不像那些在形成语言时产生的脉冲,有时很难识别信号的起始点。

好在这方面目前已经取得了进展。在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中,科学家们根据之前实验记录的数据,训练了一种机器学习算法,以确定舌头、嘴唇、下巴和喉咙的运动是如何产生声音的。他们将这些信息整合到一个解码器中,解码器将大脑信号转换成声道的估计运动,并将它们输入一个单独的部件,将这些运动转换成合成语音。

Sabes 在活动期间表示,“大脑中的神经活动是随机的,这意味着,单个神经元水平上的神经表现是有噪声的。这仅仅是我们需要从大量神经元中记录数据以获得高保真度读数的原因之一。我们想要做的是让人们能够利用神经表征修复受损的大脑回路,最终让我们更好地与世界相连、了解彼此和我们自己。”

这些都没有影响到 Neuralink 公司,该公司拥有 90 名员工,目前已经收到 1.58 亿美元的资金支持(其中至少有1亿美元来自马斯克)。该公司希望明年第二季度与斯坦福大学神经外科医生合作, 开始进入人体研究。该公司预计,插入电极一开始就需要通过颅骨钻孔,它希望很快能使用激光在骨头上打孔。

Neuralink 认为,他们的产品将有助于缓解像帕金森病和癫痫这样的慢性疾病,并且有朝一日可以使截肢者重新获得活动能力,或者帮助身体残疾的患者重新获得语言能力、听觉、视觉等。

蕴含风险的疯狂尝试

人的大脑有 860 亿到上千亿个神经元,每当我们产生一个想法,本质上都是这些神经元在进行化学反应和电信号交互,从而产生一个振幅很微小的电压。所以采集信息,就是通过不同的方法来获取大脑中的电压差,进而通过脑电信息的变化来分析推测,寻找到和大脑思维相关性的一个逻辑。目前的信息采集方式分为两种:侵入式和非侵入式。

图丨“缝纫机”使用的示意图(来源:加州大学旧金山分校)

Neuralink 采用的是侵入式办法。

BrainCo 创始人创始人兼 CEO 韩璧丞告诉 DeepTech,侵入式方法的好处是采集的信号非常准确,但缺点也很明显,它对大脑存在一定的破坏性,开颅手术本身也具有相当的风险性,还有感染的可能;同时,实验从动物到人的时候,是不是能实现,有没有人愿意做实验是有待观察的。本身人对向脑子中植入东西可能会有抗拒的。

韩璧丞是2017年《麻省理工科技评论》“35 岁以下创新 35 人”中国区榜单入选者,他所创立的 BrainCo 也专注于脑机接口开发,他选择的是非侵入式办法,只需要直接佩戴设备就可以脑机连接,但问题是采集的信号没有侵入式方法那么准确。

在加入旧金山加利福尼亚大学 Neuralink 公司之前,该公司的两位创始团队成员 Hanson 和 Philip Sabes,以及加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的 Michel Maharbiz,就开发了一种设备,他们用一根硬针将柔性电极插入大脑。Hanson 表示,这一方法是 Neuralink 公司内部研究的“主要推动力”,至少在去年10月之前是如此。去年 10 月,Hanson 离开公司时,他称与公司在科学优先级和决策方面存在分歧。

该公司创始团队成员研究的大脑接口与金属微粒(即“神经尘埃”,neural dust)有很大的差异,神经尘埃由声波和全息图驱动,将数据传输到动物大脑。

图|哺乳动物大脑皮层图像(来源:加州大学旧金山分校)

显然,马斯克是个才华横溢的工作狂,但他并不是个生物学家,同时他渴望快速取得成果。Hanson 说,Neuralink 的总裁 Max Hodak 希望从人类大脑中得到大量的测量数据。这想法没错,但这并不一定是治疗疾病的方法。“Max和马斯克渴望尽快将这一技术应用到人类身上,但目前学界普遍的共识是,这有风险。“如果想应用于人体,首先需要做很多基础工作。”

一些科学家担心研究人员把过多的注意力放在大脑中电极的数量上。2017 年,DARPA 拨款 6500 万美元建造一个“大脑调制解调器”,可以连接 100 万个神经元,但匹兹堡大学的Jose-Alain Sahel建议DARPA降低对数字目标的重视,他致力于研究大脑植入物以恢复视力。他说,“一百万个电极很难实现,甚至可能对大脑都有害。对于治疗来说,重要的是收到的信号是否有意义。”

推动脑机相连发展的一个动力是,人们希望,如果能在更大的范围内测量大脑,那么数千或数百万神经元的响应就能输入到一个深度学习程序,例如马斯克的另一家企业 OpenAI 正在开发的程序。这类系统已经学会如何在围棋和德州扑克中取得胜利,或许有了足够多的数据,它们也能解码大脑的语言。

该领域的技术专家 Christian Wentz 表示:“从足够多的神经元记录下来的信息将能使我们了解大脑在做什么,并让我们拥有这种疯狂(wild)的脑机接口。”

或许从今天开始,我们真的需要想想脑机接口将带领人类走向何方了。

-End-

编辑:黄珊 林志佳

参考:

https://www.theverge.com/2019/7/16/20697123/elon-musk-neuralink-brain-reading-thread-robot

https://www.technologyreview.com/s/613961/elon-musks-brain-interface-company-is-promising-big-news-heres-what-it-could-be/

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