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脑机接口的技术构想能随着科学的发展成为现实吗?

文/陈根

距离马斯克公布升级版脑机接口和进行设备植入的手术机器人已经一周有余,但学界对于被命名为the Link v 0.9版的脑机接口讨论仍在继续。

事实上,“脑机接口”作为前沿科技研究的热点技术,一直颇受业界关注。2017年,马斯克成立脑机接口公司Neuralink,两年后,马斯克和他的Neuralink团队发布了其首款产品,即“脑后插管”新技术,通过向大脑植入电极的方式来读取大脑信号,并宣布了他们进一步开发脑机接口的计划。

可以说,脑机接口几次在科技界掀起轩然大波,而这次的升级版脑机接口在带来震撼过后,讨论的声音也渐趋理性。升级版的脑机接口是“言过其实”还是“确实如此”?其又将在脑机接口的发展里占据怎样的地位?

从“脑后插管”到“脑中芯片”

2019年中旬,马斯克公布了第一代脑机接口,也可以简单描述为一个“脑后插管”技术,通过一台神经手术机器人,像微创眼科手术一样安全无痛地在脑袋上穿孔,向大脑内快速植入芯片,然后通过 USB-C 接口直接读取大脑信号,并可以用 iPhone 控制。

具体来说,可以分成三步,首先,用“缝纫机”和激光在头骨上钻孔,当然,不是传统意义上的脑袋打洞,这种神经外科机器人“缝纫机”能够每分钟植入六根线,且微创、无血和安全。

其次,向大脑植入定制芯片,以便更好地读取和放大来自大脑的信号。定制芯片需要植入大脑的特定地方,其中,三个位于运动区域,一个位于感受区域,而唯一外置的设备则安装在耳后,内含一枚电池。

最后,就是信息的导出,这需要使用一种直径4-6微米的线,而这些柔韧的线实际上是一种用类似玻璃纸的材料来做绝缘体,里面包含有一系列连接微小电极或传感器的导线,与其他脑机接口中使用的材料相比,它不仅对大脑损害性更小,而且还能传输更多数据。

一年后,一周前,马斯克在发布会上展示关于脑机接口的最新成果,其中包括简化后硬币大小的Neuralink植入物和进行设备植入的手术机器人。

Neuralink 推出的新设备被命名为the Link v 0.9 版,较之初代的设备,植入步骤并没有相差很大,但升级版的脑机接口尺寸更小,性能更好,和 Apple Watch 等智能手表一样能够待机一整天,在睡觉的时候无线充电。

值得一提的是,作为植入性的医疗器材,无线技术已经有 10 多年的历史了。包括此前植入心脏起搏器,或者深度脑刺激的设备都会有无线传输,但是宽带没有那么大,传的数据并不是很多,且不能无线充电。而Neuralink 的无线既传电能,又传数据,这意味着,作为一个电子设备,Neuralink是完整的,这也是电子设计的一个进展。

马斯克此次所展示的芯片有 1024 个通道,而上一版本则有 3072 个通道。1024 个通道可以理解为 1024 个神经信号采集点。与 3072 个通道相比,虽然采集点少了,但在给定的脑区和范围内(2×1 厘米范围的运动皮层),采集到的有效数据未必受到影响。

此外,新的脑机接口搭配新版的手术机器人,相比去年的“缝纫机”看起来有了很大进步。这台机器会对大脑结构进行扫描,小心避开危险区域,所以植入过程也不会对大脑产生伤害。

为了展示新设备,发布会现场,马斯克展示了一群实验猪。这些实验猪之前曾接受过外科手术,由手术机器人将最新版的Neuralink设备植入大脑,时长约7分10秒。结果显示,这些猪的大脑活动可以通过无线传输到附近一台电脑上,让在场所有人员看到当马斯克抚摸它们的鼻子时,这些猪的大脑神经元有所反应。

“言过其实”还是“确实如此”?

想要了解脑机接口,首先要明确几个相关的概念。

脑机接口(Brain-computer Interface或者Brain-machine Interface):通过传感器提取头皮上、大脑皮层上电场或磁场等信号、参数,进而进行数据提取、分类和分析,最终控制体外设备对人体周边环境进行增强或改善的人机交互装置。

中枢神经系统(Central Nervous System, CNS):由大脑和脊髓组成,是人体运动的命令源也是脑机-接口主要分析目标。

脑电波(Electroencephalogram, EEG):与大脑皮层神经元活跃度密切相关,大部分学者认为其主要组成部分是神经元突触后电位。脑电波是脑-机接口的主要信号来源之一。

分形维数(Fractal Dimension, FD):来源于分形理论,可以用于分析数据的复杂性。是现代科学用于分析混沌动力学系统和非线性信号的工具之一。

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