馬斯克署名論文首次公開透露Neuralink腦機(jī)接口及N1腦部傳感器芯片原理！馬斯克竟是第一作者？！貢獻(xiàn)多大？

今天，大家想必又被馬斯克刷屏了，馬斯克在社交媒體平臺X上宣布，在昨天（28日），人類首次接受腦機(jī)接口（Neuralink）芯片植入，植入者恢復(fù)良好。

這是人類首次在在人體身上實現(xiàn)腦機(jī)接口芯片的植入，消息受到全球媒體的關(guān)注，我國新華網(wǎng)等各大媒體均紛紛轉(zhuǎn)載這條信息，可見馬斯克又干了一件不得了的大事。

從馬斯克公司腦機(jī)接口項目操作流程看，手術(shù)將由機(jī)器人“R1”操作植入物“N1”植入大腦區(qū)域。約15分鐘植入完成后，“N1”內(nèi)的芯片將用于記錄大腦信號并將其無線傳輸?shù)絅euralink的解碼運動意圖應(yīng)用程序。應(yīng)用程序解碼大腦信號后，通過藍(lán)牙連接來控制外部設(shè)備。患者則使用Neuralink應(yīng)用程序并通過藍(lán)牙連接來控制外部鼠標(biāo)和鍵盤，從而去做自己想做的事。

N1是由Neuralink于2019年研發(fā)成功的腦部可植入式傳感器芯片，該芯片可以將細(xì)胞膜表面電位記錄下來，并通過濾波等處理將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

▲Neuralink腦機(jī)接口技術(shù)中植入腦內(nèi)的N1傳感器芯片，大約硬幣大小

那么，Neuralink腦機(jī)接口以及N1傳感器芯片的原理是怎樣的呢？

此前，Neuralink在生物學(xué)預(yù)印論文網(wǎng)站biorxiv上發(fā)布了學(xué)術(shù)論文《An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels》，首次公開透露了該技術(shù)的部分細(xì)節(jié)。有意思的是，論文的第一作者是Elon Musk，沒錯，就是馬斯克！好奇馬斯克對這項腦機(jī)接口技術(shù)的貢獻(xiàn)有多大？（該論文可在文末點擊【閱讀原文】查看）

Neuralink腦機(jī)接口N1傳感器芯片的超細(xì)聚合物探針

N1腦部傳感器芯片高效實現(xiàn)的關(guān)鍵之一在于“線”，為了更可靠的在大腦中植入這些線，Neuralink還做了手術(shù)機(jī)器人R1。

所謂的“線”其實是采用多種具有生物相容性的薄膜材料制造的微小位移神經(jīng)探針，尺寸小，靈活性強(qiáng)。探針使用的主基板和電介質(zhì)是聚酰亞胺，這種材料封裝著金質(zhì)薄膜跡線。

研究團(tuán)隊創(chuàng)建了小而靈活的電極“線”陣列。每個薄膜陣列由具有電極觸點和跡線的“線”區(qū)和“傳感器”區(qū)組成，“傳感器”區(qū)的定制芯片薄膜接口可以實現(xiàn)信號放大和采集。

晶圓級微加工工藝使得這些器件的高通量制造成為可能。每個晶圓上繪制了10個薄膜器件，而每個薄膜器件具有3072個電極觸點。

每個陣列由48或96個線程，每個線程包含32個獨立電極。采用倒裝芯片鍵合工藝將集成芯片鍵合到薄膜傳感器區(qū)域中的電極觸點上。

這樣一來就不用擔(dān)心這些“線”會像切皮蛋那樣對待大腦了，縮小“線”的橫截面積會最小化大腦中組件的位移。研究團(tuán)隊在保持高數(shù)量的電極通道的同時，使用步進(jìn)光刻和其他微加工技術(shù)以亞微米級的分辨率制作金屬膜。

在陣列中，研究團(tuán)隊設(shè)計和制造了20多種不同的“線”和電極類型：

▲我們的新型聚合物探針。A. “線性邊緣”探頭，有 32 個電極觸點，間隔 50 μm。B.具有32個電極觸點的“樹”探頭，間隔為75μm。C.增加了面板A中螺紋設(shè)計的單個電極的放大倍率，強(qiáng)調(diào)了它們的小幾何表面積。D.兩種表面處理的電極阻抗分布（在1 kHz下測量）：PEDOT（n = 257）和IrOx（n = 588）。

線寬范圍在5到50μm之間，包含幾種幾何形狀的記錄點。線的直徑在4到6μm之間，包括最多三層絕緣層和兩層導(dǎo)體。典型線長約為20mm。每條“線”都以 （16 × 50）平方微米的環(huán)作為尾巴，方便穿針。

由于金電極的幾何表面積很小，研究團(tuán)隊采用表面改性來降低電生理學(xué)的阻抗，并增加界面的有效電荷承載能力。兩種表面處理材料分別為聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT）和金屬銥氧化物（IrOx），后者雖然電阻更高，但是長時間使用的穩(wěn)定性和生物相容性更好。

能夠可靠植入N1腦部傳感器芯片的穿線機(jī)器人

用薄膜聚合物做成的探針精細(xì)又靈活，問題是它們太軟太靈活了，這增加了植入手術(shù)的難度。

Neuralink為此專門開發(fā)了一種用于植入柔性探針的神經(jīng)外科機(jī)器人。這種機(jī)器人每分鐘能植入6根探針，快速可靠，能避開血管并從分散的大腦區(qū)域進(jìn)行記錄。

機(jī)器人的植入頭鑲嵌在400mm × 400mm × 150mm的行程三軸平臺上，并安裝有一個小型、可快速插撥的針組。

▲針鉗墨盒 （NPC） 與一分錢的規(guī)模相比。A.針。B.平徹。C. 墨盒。

針由鎢-錸線材電蝕刻而成，直徑24μm。針尖被設(shè)計成鉤環(huán)，用于輸送和植“線”，并穿透腦膜和腦組織。針組由線性馬達(dá)驅(qū)動，允許可變植入速度和快速回縮加速度（高達(dá)30,000 mm s-2），以幫助探針和針頭分離。

夾鉗是一根50μm的鎢絲，在尖端處彎曲，并能軸向和旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動。它在輸送過程中負(fù)責(zé)探針的支撐，并確保其沿針道植“線”。

下圖顯示了用這種機(jī)器人把電極插入瓊脂“果凍”的過程。

▲1. 插入器用一根線接近大腦代理。i. 針頭和套管。ii. 先前插入的螺紋。2. 插入器觸地在大腦代理表面上。3. 針穿透組織代理，將線推進(jìn)到所需的深度。iii. 插入螺紋。4. 插入器拉開，將線留在組織代理中。iv. 插入螺紋。

穿線機(jī)器人還包含成像組件（圖中的E），用于將針引導(dǎo)到線環(huán)，插入目標(biāo)，實時查看和驗證。

此外，插入器頭包含六個獨立的光模塊（圖中的C），每個模塊能夠獨立地以405 nm、525 nm和650 nm幾種波長的光或者白光進(jìn)行照射。

405nm照明用于激發(fā)聚酰亞胺的熒光，令光學(xué)組件和計算機(jī)視覺可靠地定位于16×50μm2的區(qū)域，執(zhí)行亞微米視覺伺服以引導(dǎo)，再用650nm照射通過小孔。

立體攝像機(jī)基于軟件計算的單眼擴(kuò)展景深，用525nm光照射精確估計皮質(zhì)表面的位置。

▲機(jī)器人電極插入器;插圖中所示的插入器頭的放大視圖。A. 裝載針鉗墨盒。B.低力接觸式腦位置傳感器。C. 具有多個獨立波長的光模塊。D.針電機(jī)。E.四個攝像頭中的一個在插入過程中聚焦在針頭上。F.具有手術(shù)區(qū)域廣角視圖的攝像機(jī)。G. 立體相機(jī)。

這個機(jī)器人還會把植入位置記錄到具有顱骨界標(biāo)的公共坐標(biāo)系中，當(dāng)與深度跟蹤相結(jié)合時，能夠精確地瞄準(zhǔn)解剖學(xué)定義的腦結(jié)構(gòu)。

集成的定制軟件套件允許預(yù)先選定所有植入位置，這樣可以優(yōu)化植入路徑的規(guī)劃，最大限度地減少“線”的纏結(jié)和繃緊。

規(guī)劃機(jī)器人功能時，Neuralink強(qiáng)調(diào)了在植入過程中避免脈管系統(tǒng)的能力，這是機(jī)器人的關(guān)鍵優(yōu)勢之一。這一點是非常重要，因為血腦屏障的損傷被認(rèn)為在大腦對異物的炎癥反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。

這個機(jī)器人具有自動植入模式，整個植入過程可以自動化，但外科醫(yī)生能夠?qū)ζ浔３滞耆刂?，如果需要，可以進(jìn)行手動微調(diào)。

整個外科機(jī)器人是無菌的，能對針進(jìn)行自動無菌超聲波清潔。針組是插入器頭部與腦組織直接接觸的部分，屬于消耗品，在手術(shù)中可在一分鐘內(nèi)更換。

該系統(tǒng)在19次手術(shù)中平均植入成功率為87.1±12.6％（平均值±s.d.）。每個手術(shù)平均插入時間為45分鐘，插入速率約為每分鐘29.6個電極。

用于處理傳感器信號的專用ASIC芯片

用數(shù)千個電極位置的長期記錄大腦信號，向電子設(shè)備和封裝提出了極大的挑戰(zhàn)。

高密度的記錄通道要求信號放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換必須集成在陣列組件中。而且這個集成的組件必須能放大微弱的神經(jīng)信號(< 10 μVRMS)，同時抑制噪聲。在最小的功耗和尺寸下，對放大的信號進(jìn)行采樣和數(shù)字化，并實時處理這些信號。

Neuralink的專用集成電路(ASIC)可以達(dá)到上面的要求。該集成電路由三個部分組成：256個獨立可編程放大器（Neuralink把它叫做Analog Pixel）、片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、用于序列化數(shù)字化輸出的外圍控制電路。

▲封裝的傳感器設(shè)備。A.單個神經(jīng)處理ASIC能夠處理256個數(shù)據(jù)通道。這種特殊的封裝設(shè)備包含 12 個這樣的芯片，總共 3,072 個通道。B.聚對二甲苯-c基材上的聚合物線。C. 鈦合金外殼（蓋子取下）。D. 用于電源和數(shù)據(jù)的數(shù)字 USB-C 連接器。

Analog Pixel具有高度可配置性：增益和濾波特性可以進(jìn)行校準(zhǔn)，以解決因工藝變化和電生理環(huán)境導(dǎo)致的信號質(zhì)量變化。

1、片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器以19.3kHZ、10bit分辨率進(jìn)行采樣。

2、每個Analog Pixel消耗5.2μW，包括時鐘驅(qū)動器在內(nèi)，整個ASIC功耗6mW。

Neuralink專用集成電路的性能參數(shù)如下表：

ASIC構(gòu)成了模塊化記錄平臺的核心，便于研發(fā)人員更換組件。

在整個腦機(jī)接口系統(tǒng)中，ASIC和其他專用集成電路一起放在印刷電路板上。系統(tǒng)由一個FPGA、實時溫度加速度與磁場傳感器、全帶寬數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)SB-C連接器組成。

該系統(tǒng)封裝在涂有聚二甲苯的鈦金屬外殼中，聚對二甲苯的作用是防止液體進(jìn)入延長使用壽命。

Neuralink制造了兩種不同配置的系統(tǒng)：一個包含1536通道(System A)，一個包含3072通道(System B)。System A采用了新的ASIC，System B采用了功能相當(dāng)?shù)阅芤?guī)格較差的早期版本。二者的差異如下：

System B的優(yōu)勢是最大化信道密度，用于要求極高信道數(shù)的場景。

System A的優(yōu)勢是制造起來更快更可靠，它的制造速度比System A快五倍，產(chǎn)量更高。

連接以太網(wǎng)的基站將來自這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成多點傳送10G以太網(wǎng)UDP數(shù)據(jù)包，允許下游用戶以多種方式處理數(shù)據(jù)，比如實時可視化數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)寫入磁盤。

每個基站最多可以同時連接三個植入物。這些設(shè)備還有軟件生態(tài)系統(tǒng)的支持，允許零配置的即插即用性。當(dāng)連接電纜時，系統(tǒng)可以自動傳輸神經(jīng)數(shù)據(jù)。

如何記錄腦電波

Neuralink使用換向電纜進(jìn)行電生理記錄，可以不受動物活動的限制。System A可以同時記錄1536個通道中的1344個，在記錄時可以任意指定通道配置的精度。系統(tǒng)B可以同時記錄所有3072個通道。二者使用在線檢測算法實時處理數(shù)字化寬帶信號以識別動作電位（尖峰信號）。

但是實時腦機(jī)接口對尖峰檢測的要求，與大多數(shù)傳統(tǒng)神經(jīng)生理學(xué)不同。電生理學(xué)家可以并花費大量時間離線處理數(shù)據(jù)，而實時檢測的腦機(jī)接口必須最大化解碼效率。

考慮到這些因素，Neuralink設(shè)置了>0.35 Hz的閾值來量化記錄尖峰單元的電極數(shù)量。腦機(jī)接口解碼器通常在沒有尖峰分類的情況下運行，保證性能損失最小。

▲左圖：寬帶神經(jīng)信號（未經(jīng)過濾）同時從植入大鼠大腦皮層的單線程（32通道）獲取。每個通道（行）對應(yīng)螺紋上的一個電極位點（示意圖在左邊;位點間隔為50μm）。尖峰和局部場電位是顯而易見的。右圖：推定波形（未排序）;數(shù)字表示線程上的通道位置。平均波形以黑色顯示。

上圖展示了System A的實驗數(shù)據(jù)。在這個實驗的1280個植入電極中，44個插入電極中有40個成功檢測到信號，顯示了局部場和尖峰活動圖。右側(cè)展示了尖峰信號的疊加圖。

研究人員記錄了所有1280個植入通道。在這個陣列種，尖峰的產(chǎn)生量是通道的53.4 %，許多尖峰出現(xiàn)在多個相鄰的通道上，這和在其他高密度探針中觀察到的結(jié)果一樣。在19個腦機(jī)接口手術(shù)中觀察到尖峰產(chǎn)生量為59.10±5.74%，最高值為85.5 %。

結(jié)語

Neuralink的腦機(jī)接口技術(shù)由腦部可植入傳感器芯片和解碼讀取系統(tǒng)等構(gòu)成，未來有望幫助癲癇、漸凍癥、失明等病癥患者恢復(fù)感覺、視覺、運動等能力在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療當(dāng)中也大有可為。但當(dāng)前設(shè)備限制了這一技術(shù)在臨床當(dāng)中的應(yīng)用。

Neuralink的成果推進(jìn)了這一領(lǐng)域的落地應(yīng)用，但從臨床到更大范圍的應(yīng)用，不僅有賴于多學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究進(jìn)展，在安全、倫理、價格等諸多方面也有許多值得進(jìn)一步討論的地方。

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本文主要資料來自:

量子位《馬斯克一作！Neuralink腦機(jī)接口細(xì)節(jié)公布，特殊材料防大腦損傷，專用芯片助技術(shù)落地》

biorxiv網(wǎng)站《An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels》

審核編輯 黃宇