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新智元報道

編輯：時光 拉燕 桃子

【新智元導(dǎo)讀】黑客帝國已經(jīng)離我們不遠了！近日，比利時納米數(shù)字研究機構(gòu)Imec升級了Neuropixels探測器新版本，即建立一種新的探針，以神經(jīng)元水平觀察活體大腦。

你腦袋里有一個——860億個交換機組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)！

重量為2斤半，耗電量僅為20W，相當(dāng)于一個電燈泡的耗能。

但是，它卻創(chuàng)造了生物電子學(xué)的無限奇跡！

大腦是一個電子器官？

腦研究的核心是應(yīng)用傳感器技術(shù)。

無論是我們熟悉的頭皮電極、核磁共振成像，還是新開創(chuàng)的植入芯片等方法，都在試圖探索這個神秘的器官。

最近，比利時納米數(shù)字研究機構(gòu)Imec開創(chuàng)了Neuropixels探測器，即建立一種新的探針，以神經(jīng)元水平觀察活體大腦。

光是第一代Neuropixels探測器，就已向全球交付約650個實驗室使用。與此同時，Imec還創(chuàng)建了OpenScope共享大腦天文臺，向世界各地大腦研究者提供開源數(shù)據(jù)。

這是一個全球共享的神經(jīng)科學(xué)研究設(shè)施，相當(dāng)于歐洲核子研究中心用于共享高能物理研究的粒子加速器。

神經(jīng)像素，這是一種觀察大腦活動的全新技術(shù)。它的功能類似于成像，不過，它記錄的是電場而不是光場。

合作始于2010年，工程師Barun Dutta（巴倫·杜塔）與神經(jīng)科學(xué)家Timothy D. Harris（蒂莫西·哈里斯）之間的對話。

杜塔任職于Imec，他使用了最先進的半導(dǎo)體制造設(shè)備；哈里斯工作于HHMI（霍華德·休斯醫(yī)學(xué)院），他是資深的神經(jīng)科學(xué)家。

杜塔將他的半導(dǎo)體知識帶到神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域

「我們需要在一個自由活動的動物體內(nèi)，對其局部神經(jīng)回路，記錄每個神經(jīng)元的尖峰?！构锼拐f。

由杜塔和哈里斯領(lǐng)銜，組建了一支多學(xué)科交叉背景的研究團隊，包括工程師、神經(jīng)科學(xué)家、軟件設(shè)計師等人員。

科學(xué)家們展開探索，如何利用先進的微電子學(xué)發(fā)明一種新的傳感器，同時監(jiān)聽任何一小部分腦組織中、成千上萬個神經(jīng)元之間的電流對話。

科學(xué)家發(fā)明的這個系統(tǒng)被命名為Neuropixels，「把我們想象成神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的英特爾」杜塔說，「我們提供芯片，然后世界各地的實驗室用它們編寫代碼、做實驗」。

要建造一個數(shù)字探針，時間足夠長，可以到達大腦器官的任何部分，但又足夠細小，在進入的過程中不會破壞脆弱的組織，這并不容易。

事實上，大腦的彈性和酸奶一樣。

因此，科學(xué)家既要保持筆直地插入，又能在晃動的大腦內(nèi)讓它彎曲，從而長期存在也不至于損壞鄰近腦細胞。

當(dāng)大腦引導(dǎo)身體完成復(fù)雜的行為時，探測器需要足夠持久，才能保持原位并可靠地記錄數(shù)周甚至數(shù)月。

Neuropixels將神經(jīng)科學(xué)推向一個更高階段，為癲癇和帕金森等腦部疾病提供更好的治療，也為未來的腦機接口鋪平了道路。

時間回到上個世紀(jì)50年代，研究人員使用了一種原始的電子傳感器，來識別帕金森病患的神經(jīng)元失活。

經(jīng)過了70年的發(fā)展歷程，隨著微電子學(xué)革命，大腦探針的所有部件都已經(jīng)微型化，大腦電子傳感技術(shù)取得了長足的進步。

2021年，該系統(tǒng)升級為2.0版本。相比4年前的初始版本，增加了一個數(shù)量級的傳感器數(shù)量。

現(xiàn)在，3.0版本已經(jīng)處于早期開發(fā)階段。

科學(xué)家相信，神經(jīng)像素將按照摩爾定律指數(shù)式增長。

而這，還僅僅是一個開始。

Neuropice2.0！

研究大腦的生物學(xué)專家建議實驗人員用金或鉑做電極，然后用有機金屬聚合物做柄部。

然而，這些材料都不能和先進的CMOS制造工藝相兼容。于是，實驗人員進行了一些研究，并做了大量的工程設(shè)計。最終，Silke Musa發(fā)明了一種氮化鈦，這是一種極其堅固的電陶瓷，它可以兼容CMOS和動物的大腦。

同時，該材料也是多孔的，這給了它低阻抗。低阻抗對獲得電流和清除信號非常有幫助，而無需加熱附近的細胞，從而產(chǎn)生噪音，破壞數(shù)據(jù)。

多虧了大量的材料科學(xué)研究和微機電系統(tǒng)(MEMS)的一些相關(guān)技術(shù)，研究人員現(xiàn)在能夠控制硅桿和氮化鈦電極沉積和蝕刻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

如此一來，盡管硅桿只有23微米(微米)厚，但它們能一直保持幾乎完美的直線。

而每個探針由四個平行的柄組成，每個柄上又鑲有1,280個電極。在1厘米的長度之內(nèi)，探針的長度足以達到老鼠大腦中任何一個位置。

在2021年發(fā)表的小鼠研究表明，Neuropice2.0設(shè)備可以在嚙齒動物正常生活的同時，連續(xù)六個月從相同的神經(jīng)元收集數(shù)據(jù)。

與CMOS相兼容的柄部和腦組織之間的彈性差異巨大，如此一來，就引發(fā)出了一個問題，那就是：當(dāng)探針在大腦中不可避免地隨著大腦的移動而移動時，應(yīng)該如何跟蹤單個神經(jīng)元。

我們都知道，神經(jīng)元的大小為20至100微米，而每個電極的直徑為15微米，小到足以記錄單個神經(jīng)元的孤立活動。

但是，經(jīng)過了六個月的推擠活動，整個探測器可能在大腦內(nèi)移動500微米。在這段時間里，任何一個特定的像素都可能看到幾個神經(jīng)元來來去去的場景。

（目前最常見的神經(jīng)紀(jì)錄裝置）

此外，每個柄上的1,280個電極都是單獨可尋址的，四個平行的柄能給研究人員提供有效的2D 讀數(shù)，這非常類似于CMOS照相機拍出的圖像。

這種相似性讓研究人員意識到，神經(jīng)元相對于像素的位移問題和IS系統(tǒng)非常相似。

就像在拍攝的時候搖晃攝像機一樣，大腦中一塊區(qū)域的神經(jīng)元與其電性能是相關(guān)的。

研究人員可以利用已有的能解決攝像機抖動問題，來解決探測頭晃動的問題。而隨著穩(wěn)定軟件的應(yīng)用，研究人員就能在神經(jīng)電路隨意移動的時候，使用自動校正功能。

而2.0版本將位于頭骨外部、控制植入的探針并輸出數(shù)字數(shù)據(jù)的電路板縮到拇指大小。

這樣，一個電路板和底座就可以放兩個探針，每個探針延伸出四個小柄，一共有10,240個可記錄的電極。

研究人員編寫了控制程序，實現(xiàn)了高采樣率，能捕捉到大量數(shù)據(jù)。是CMOS成像芯片通常能記錄的500倍。

但目前該設(shè)備還不能捕捉所接觸到的每個神經(jīng)元的活動。

日后計算機技術(shù)的不斷進步將進一步緩解未來幾代人內(nèi)緩解現(xiàn)存的帶寬限制。

在短短四年時間里，研究人員幾乎將像素的密度提高了一倍，可同時記錄的像素數(shù)量也增加了一倍，整體像素數(shù)量更是增加了十倍以上，而外部電子設(shè)備的尺寸不增反減，縮小了一半。

而下一代的3.0版本也已經(jīng)在開發(fā)中，將在2025年左右發(fā)布，保持四年一發(fā)布的節(jié)奏。在3.0版本中，研究人員預(yù)計，像素數(shù)量將再次躍升，可以監(jiān)控大約5萬到10萬個神經(jīng)元。

同時，小組還打算繼續(xù)添加探測器，并將輸出帶寬增加三倍或四倍，將基本帶寬減少兩倍。

（第一個Neuropion裝置。柄上有966個電極。）

科學(xué)怪人開頭顱，首創(chuàng)人腦機器

為了推進科學(xué)研究，曾有許多科學(xué)怪人拿自己的身體做起了實驗。

2014年，美國有一位年近7旬的神經(jīng)學(xué)家Phil Kennedy（菲爾·肯尼迪）竟鋸開了自己的頭骨，往大腦內(nèi)植入了電極。

當(dāng)時因一直找不到實驗對象，研究經(jīng)費也即將枯竭，Kennedy才出此下策對自己大腦開刀。

這場腦部手術(shù)共持續(xù)了11個半小時，其實進行的并不太順利。

Kennedy在醒來時竟失去了說話的能力。

他這么做就是為了打造一個語音解碼器，讓無法發(fā)聲的患者通過腦機接口的方式重新「發(fā)聲」。

此前，Phil Kennedy已經(jīng)在這個領(lǐng)域研究了近30年，是赫赫有名的神經(jīng)科學(xué)家，被許多人稱為「半機器人之父」。

他在上世界90年代研發(fā)的侵入式腦機接口就讓一名重度癱瘓者學(xué)會用大腦控制電腦光標(biāo)打字，讓別人可以「聽到」他的聲音。

在腦機接口上的研究可以說是數(shù)不勝數(shù)，最讓人興奮和激動的便是Neuarlink的研究。

就在2020年8月，馬斯克在發(fā)布會上公布了Neuarlink的重磅突破。

這次，這一次馬斯克打造的神奇設(shè)備只有硬幣大小，用手術(shù)植入頭骨，充滿電可用一整天。

馬斯克講到，腦機接口最本質(zhì)的就是「連線」問題（wiring）。

現(xiàn)場，馬斯克就展示了已經(jīng)植入Neuralink設(shè)備兩個月活蹦亂跳的健康小豬。

實驗主要是植入芯片后，能直觀看到豬的腦活動，演示人員撫摸它的鼻子時，豬的神經(jīng)開始興奮。設(shè)備連接的1024個電極作用下，它腦內(nèi)的電波信號，清晰可見。

同樣在2021年4月，Neuralink再次取得了新進展，一只猴子可以用意念玩乒乓球游戲。

實驗中，一只9歲的恒河猴Pager的腦袋里被植入了兩個N1 Link，工作人員用香蕉奶昔誘惑它玩游戲。

隨著腦機接口技術(shù)不斷推進，能夠讓癱瘓患者用意念操作智能手機，速度將會比手指還要快。

馬斯克在去年曾表示，腦機接口將于今年用于人類。

腦機接口未來可期。

參考資料：

https://spectrum.ieee.org/brain-implant

https://36kr.com/p/1722359709697

https://www.sohu.com/a/193608196_426424

https://www.imec-int.com/en

https://www.hhmi.org/