向天線寶寶“借”根天線？最新腦機(jī)接口研究實(shí)現(xiàn)雙向控制
文 | 學(xué)術(shù)頭條，作者 | 劉芳，編輯 | 王新凱
近年來，有一種玄乎的技術(shù)逐漸進(jìn)入大眾視野，它就是腦機(jī)接口。
到目前為止，科學(xué)家們通過腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)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(yīng)用距離“人機(jī)合一”科幻場(chǎng)景還有著十萬八千里的距離。
不過大家莫急，科技發(fā)展的速度永遠(yuǎn)會(huì)超越你的想象。
本周，布朗大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)推出了一款微型植入傳感器網(wǎng)絡(luò)，并取名為“神經(jīng)顆?！薄＞拖窨Х入x不開咖啡伴侶，豆?jié){離不開油條，團(tuán)隊(duì)還給“神經(jīng)顆?！蓖獯盍艘豢顭o線“信號(hào)塔”，用于在頭皮上發(fā)射信號(hào)。
團(tuán)隊(duì)表示，這款內(nèi)外呼應(yīng)的腦機(jī)接口系統(tǒng)，不但能讀取和翻譯神經(jīng)信號(hào)，還能反向刺激大腦的神經(jīng)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)腦機(jī)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(fā)表在Nature Elecotronics?期刊上。
解碼大腦，也要控制大腦
老實(shí)講，腦機(jī)接口的利弊占比到現(xiàn)在還沒有個(gè)明白的討論結(jié)果。
To 植入 or not 植入，這恐怕是一個(gè)令莎士比亞大哥也會(huì)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(jī)接口的現(xiàn)狀。
一般來說，腦機(jī)接口是指計(jì)算機(jī)等設(shè)備在獲取中樞神經(jīng)產(chǎn)生的大腦信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行分析并轉(zhuǎn)化成可操作指令的系統(tǒng)。通過植入性或頭戴設(shè)備，外部設(shè)備可采集大腦活動(dòng)所產(chǎn)生的電場(chǎng)、磁場(chǎng)或血紅蛋白氧合等參數(shù)。
按侵入性由淺到深和信息分辨率由低到高排個(gè)序，目前最主流的三種腦機(jī)接口分別是帶在頭上的腦電帽（EEG）；讀取大腦皮層信號(hào)（ECoG）的芯片；以及植入腦皮質(zhì)內(nèi)部的電極（Intracortical BCI，iBCI）。
圖 | 腦機(jī)接口的三種形式示意圖
而最新的無線“神經(jīng)顆粒”就將大腦皮層信號(hào)采集（ECoG）和腦外無線傳感器結(jié)合在了一起，形成了一個(gè)內(nèi)外呼應(yīng)的信號(hào)傳遞系統(tǒng)。
在這之前，讀取大腦皮層信號(hào)（ECoG）的一兩個(gè)傳感器至多能采集幾百個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)信號(hào)，但和人類大腦內(nèi) 860 億個(gè)神經(jīng)元相比，這幾百個(gè)神經(jīng)元所能提供的信息實(shí)在是過于匱乏。
鑒于此，研究人員成功將 48 個(gè)鹽粒大小的“神經(jīng)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(jù)計(jì)算，在未來可以在小鼠大腦內(nèi)植入多達(dá)770個(gè)甚至數(shù)千個(gè)“神經(jīng)顆?！保@將使人類首次在“科學(xué)”的意義上理解活著的大腦的奧秘。
當(dāng)然，羅馬并不是一日建成的。
這項(xiàng)技術(shù)花費(fèi)了來自布朗大學(xué)、貝勒大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校及高通的專家們大約四年時(shí)間， 集電磁學(xué)、射頻、電路設(shè)計(jì)制造和神經(jīng)科學(xué)的前沿技術(shù)于一身。
布朗工程學(xué)院教授 Arto Nurmikko 表示：“腦機(jī)接口領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)之一就是找到盡可能探測(cè)大腦各個(gè)區(qū)域的方法。到目前為止，大多數(shù)植入腦皮質(zhì)內(nèi)部的電極有點(diǎn)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(jīng)顆粒示意圖（來源：論文）
為了達(dá)成目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)首先需要在保持硅芯片功能的基礎(chǔ)上將它們的體積減縮到最小。經(jīng)過無數(shù)的模擬和數(shù)代更迭，團(tuán)隊(duì)最終研制出了體積小于?0.1 立方毫米的“神經(jīng)顆?！?。
其次，團(tuán)隊(duì)需要開發(fā)一個(gè)外部無線接收系統(tǒng)。這是一個(gè)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(gè)微型手機(jī)發(fā)射塔，使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來協(xié)調(diào)來自“神經(jīng)顆?！钡男盘?hào)。
與電腦一樣，每個(gè)“神經(jīng)顆?！倍加凶约旱?PUF 地址，也就是自己的身份證。這樣科學(xué)家就可以追蹤是哪個(gè)大腦區(qū)域發(fā)布了特定的信號(hào)。不僅如此，無線貼片還可以向大腦內(nèi)的“神經(jīng)顆?！碧峁o線充電服務(wù)，就好比買電動(dòng)汽車送個(gè)移動(dòng)充電樁，不得不佩服科學(xué)家們想的周到。
在研究中最具爭議性的恐怕是“神經(jīng)顆粒”的雙向控制功能。事實(shí)上，記錄大腦功能和了解大腦的神經(jīng)活動(dòng)只是腦機(jī)接口界的研究方向之一。為了治療各種精神和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，幫助癱瘓、中風(fēng)或脊柱損傷的人士恢復(fù)正常生活能，對(duì)大腦實(shí)現(xiàn)可控刺激一直以來都是腦機(jī)接口領(lǐng)域的重要研發(fā)課題。
圖 | 小鼠手術(shù)示意圖（來源：論文）
在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)針對(duì)植入的單個(gè)“神經(jīng)顆?！边M(jìn)行了?100 Hz?的皮層內(nèi)電脈沖刺激，電流高達(dá) 25 μA。小鼠大腦內(nèi) 48 個(gè)“神經(jīng)顆?！敝杏卸鄠€(gè)捕捉到了刺激后局部場(chǎng)電位（LEP）變化。
在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)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(jīng)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(tuán)隊(duì)還將調(diào)節(jié)整個(gè)“神經(jīng)顆?！?網(wǎng)絡(luò)的刺激幅度。?
雙向腦機(jī)接口的商業(yè)應(yīng)用
“神經(jīng)顆粒” 系統(tǒng)可以稱之為雙向腦機(jī)接口領(lǐng)域的重大里程碑，它的輕便和無線等特性都極大地推進(jìn)了這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展。
一直以來，雙向腦機(jī)接口都是游戲、教育和軍事安全等領(lǐng)域研發(fā)的熱點(diǎn)。2019年，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）推出了下一代非手術(shù)神經(jīng)技術(shù)（The Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology，簡稱N3 )。DARPA 稱，佩戴這種雙向腦機(jī)接口的士兵將可以用意念控制無人機(jī)、拆彈機(jī)器人等，并在復(fù)雜的軍事任務(wù)中成功地執(zhí)行多任務(wù)。
對(duì)于很多這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家來說，他們最終的夢(mèng)想是通過腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)直接的腦對(duì)腦交流（brain-to-brain communication），也就是意念溝通和讀心術(shù)的境界。大腦和計(jì)算機(jī)之間的雙向接口最終將導(dǎo)致開發(fā)一種“腦對(duì)腦接口”（BBI），在這種接口中，來自個(gè)體大腦的神經(jīng)活動(dòng)由計(jì)算機(jī)連接和調(diào)節(jié)。當(dāng)然，這中間還有巨大的技術(shù)和倫理的障礙需要跨越。
（來源：great learning）
如果你認(rèn)為“腦對(duì)腦接口”就是人類想象的極限，那也太小看科學(xué)家們的腦洞了。?
在 2019 年的一篇博客文章中，計(jì)算神經(jīng)學(xué)家 Niko Kriegeskorte 提到了“神經(jīng)協(xié)處理器”（neural co-processor），它將把焦點(diǎn)從接口 (讀取和寫入大腦活動(dòng)的地方) “轉(zhuǎn)移到如何增強(qiáng)設(shè)備的信息處理功能上”。
在這個(gè)概念中，腦機(jī)設(shè)備將與大腦一起補(bǔ)充大腦的神經(jīng)活動(dòng)，協(xié)助大腦處理信息。神經(jīng)協(xié)處理器甚至可以從大腦的一個(gè)區(qū)域讀取神經(jīng)信號(hào)，并將信號(hào)寫入大腦的另一個(gè)區(qū)域。而這將為大腦增強(qiáng)（Brain augmentation）這個(gè)更加“瘋狂” 的想法鋪平道路。?
未來有如此多的可能性，你準(zhǔn)備好先在自己的腦仁兒里種上幾十個(gè)“神經(jīng)顆?！绷藛?？?
參考資料：
- https://www.brown.edu/news/2021-08-12/neurograins?
- https://alexandregonfalonieri.medium.com/bidirectional-bci-what-it-is-and-why-it-matters-e295767b95a7
- https://www.nature.com/articles/s41928-021-00631-8
- https://www.darpa.mil/program/next-generation-nonsurgical-neurotechnology
- https://nikokriegeskorte.org/2019/01/26/from-bidirectional-brain-computer-interfaces-toward-neural-co-processors/
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