新智元报道

编辑：时光 拉燕 桃子

【新智元导读】黑客帝国已经离我们不远了！近日，比利时纳米数字研究机构Imec升级了Neuropixels探测器新版本，即建立一种新的探针，以神经元水平观察活体大脑。

你脑袋里有一个——860亿个交换机组成的复杂网络！

重量为2斤半，耗电量仅为20W，相当于一个电灯泡的耗能。

但是，它却创造了生物电子学的无限奇迹！

大脑是一个电子器官？

脑研究的核心是应用传感器技术。

无论是我们熟悉的头皮电极、核磁共振成像，还是新开创的植入芯片等方法，都在试图探索这个神秘的器官。

最近，比利时纳米数字研究机构Imec开创了Neuropixels探测器，即建立一种新的探针，以神经元水平观察活体大脑。

光是第一代Neuropixels探测器，就已向全球交付约650个实验室使用。与此同时，Imec还创建了OpenScope共享大脑天文台，向世界各地大脑研究者提供开源数据。

这是一个全球共享的神经科学研究设施，相当于欧洲核子研究中心用于共享高能物理研究的粒子加速器。

神经像素，这是一种观察大脑活动的全新技术。它的功能类似于成像，不过，它记录的是电场而不是光场。

合作始于2010年，工程师Barun Dutta（巴伦·杜塔）与神经科学家Timothy D. Harris（蒂莫西·哈里斯）之间的对话。

杜塔任职于Imec，他使用了最先进的半导体制造设备；哈里斯工作于HHMI（霍华德·休斯医学院），他是资深的神经科学家。

杜塔将他的半导体知识带到神经科学领域

「我们需要在一个自由活动的动物体内，对其局部神经回路，记录每个神经元的尖峰。」哈里斯说。

由杜塔和哈里斯领衔，组建了一支多学科交叉背景的研究团队，包括工程师、神经科学家、软件设计师等人员。

科学家们展开探索，如何利用先进的微电子学发明一种新的传感器，同时监听任何一小部分脑组织中、成千上万个神经元之间的电流对话。

科学家发明的这个系统被命名为Neuropixels，「把我们想象成神经科学领域的英特尔」杜塔说，「我们提供芯片，然后世界各地的实验室用它们编写代码、做实验」。

要建造一个数字探针，时间足够长，可以到达大脑器官的任何部分，但又足够细小，在进入的过程中不会破坏脆弱的组织，这并不容易。

事实上，大脑的弹性和酸奶一样。

因此，科学家既要保持笔直地插入，又能在晃动的大脑内让它弯曲，从而长期存在也不至于损坏邻近脑细胞。

当大脑引导身体完成复杂的行为时，探测器需要足够持久，才能保持原位并可靠地记录数周甚至数月。

Neuropixels将神经科学推向一个更高阶段，为癫痫和帕金森等脑部疾病提供更好的治疗，也为未来的脑机接口铺平了道路。

时间回到上个世纪50年代，研究人员使用了一种原始的电子传感器，来识别帕金森病患的神经元失活。

经过了70年的发展历程，随着微电子学革命，大脑探针的所有部件都已经微型化，大脑电子传感技术取得了长足的进步。

2021年，该系统升级为2.0版本。相比4年前的初始版本，增加了一个数量级的传感器数量。

现在，3.0版本已经处于早期开发阶段。

科学家相信，神经像素将按照摩尔定律指数式增长。

而这，还仅仅是一个开始。

Neuropice2.0！

研究大脑的生物学专家建议实验人员用金或铂做电极，然后用有机金属聚合物做柄部。

然而，这些材料都不能和先进的CMOS制造工艺相兼容。于是，实验人员进行了一些研究，并做了大量的工程设计。最终，Silke Musa发明了一种氮化钛，这是一种极其坚固的电陶瓷，它可以兼容CMOS和动物的大脑。

同时，该材料也是多孔的，这给了它低阻抗。低阻抗对获得电流和清除信号非常有帮助，而无需加热附近的细胞，从而产生噪音，破坏数据。

多亏了大量的材料科学研究和微机电系统(MEMS)的一些相关技术，研究人员现在能够控制硅杆和氮化钛电极沉积和蚀刻过程中产生的内应力。

如此一来，尽管硅杆只有23微米(微米)厚，但它们能一直保持几乎完美的直线。

而每个探针由四个平行的柄组成，每个柄上又镶有1,280个电极。在1厘米的长度之内，探针的长度足以达到老鼠大脑中任何一个位置。

在2021年发表的小鼠研究表明，Neuropice2.0设备可以在啮齿动物正常生活的同时，连续六个月从相同的神经元收集数据。

与CMOS相兼容的柄部和脑组织之间的弹性差异巨大，如此一来，就引发出了一个问题，那就是：当探针在大脑中不可避免地随着大脑的移动而移动时，应该如何跟踪单个神经元。

我们都知道，神经元的大小为20至100微米，而每个电极的直径为15微米，小到足以记录单个神经元的孤立活动。

但是，经过了六个月的推挤活动，整个探测器可能在大脑内移动500微米。在这段时间里，任何一个特定的像素都可能看到几个神经元来来去去的场景。

（目前最常见的神经纪录装置）

此外，每个柄上的1,280个电极都是单独可寻址的，四个平行的柄能给研究人员提供有效的2D 读数，这非常类似于CMOS照相机拍出的图像。

这种相似性让研究人员意识到，神经元相对于像素的位移问题和IS系统非常相似。

就像在拍摄的时候摇晃摄像机一样，大脑中一块区域的神经元与其电性能是相关的。

研究人员可以利用已有的能解决摄像机抖动问题，来解决探测头晃动的问题。而随着稳定软件的应用，研究人员就能在神经电路随意移动的时候，使用自动校正功能。

而2.0版本将位于头骨外部、控制植入的探针并输出数字数据的电路板缩到拇指大小。

这样，一个电路板和底座就可以放两个探针，每个探针延伸出四个小柄，一共有10,240个可记录的电极。

研究人员编写了控制程序，实现了高采样率，能捕捉到大量数据。是CMOS成像芯片通常能记录的500倍。

但目前该设备还不能捕捉所接触到的每个神经元的活动。

日后计算机技术的不断进步将进一步缓解未来几代人内缓解现存的带宽限制。

在短短四年时间里，研究人员几乎将像素的密度提高了一倍，可同时记录的像素数量也增加了一倍，整体像素数量更是增加了十倍以上，而外部电子设备的尺寸不增反减，缩小了一半。

而下一代的3.0版本也已经在开发中，将在2025年左右发布，保持四年一发布的节奏。在3.0版本中，研究人员预计，像素数量将再次跃升，可以监控大约5万到10万个神经元。

同时，小组还打算继续添加探测器，并将输出带宽增加三倍或四倍，将基本带宽减少两倍。

（第一个Neuropion装置。柄上有966个电极。）

科学怪人开头颅，首创人脑机器

为了推进科学研究，曾有许多科学怪人拿自己的身体做起了实验。

2014年，美国有一位年近7旬的神经学家Phil Kennedy（菲尔·肯尼迪）竟锯开了自己的头骨，往大脑内植入了电极。

当时因一直找不到实验对象，研究经费也即将枯竭，Kennedy才出此下策对自己大脑开刀。

这场脑部手术共持续了11个半小时，其实进行的并不太顺利。

Kennedy在醒来时竟失去了说话的能力。

他这么做就是为了打造一个语音解码器，让无法发声的患者通过脑机接口的方式重新「发声」。

此前，Phil Kennedy已经在这个领域研究了近30年，是赫赫有名的神经科学家，被许多人称为「半机器人之父」。

他在上世界90年代研发的侵入式脑机接口就让一名重度瘫痪者学会用大脑控制电脑光标打字，让别人可以「听到」他的声音。

在脑机接口上的研究可以说是数不胜数，最让人兴奋和激动的便是Neuarlink的研究。

就在2020年8月，马斯克在发布会上公布了Neuarlink的重磅突破。

这次，这一次马斯克打造的神奇设备只有硬币大小，用手术植入头骨，充满电可用一整天。

马斯克讲到，脑机接口最本质的就是「连线」问题（wiring）。

现场，马斯克就展示了已经植入Neuralink设备两个月活蹦乱跳的健康小猪。

实验主要是植入芯片后，能直观看到猪的脑活动，演示人员抚摸它的鼻子时，猪的神经开始兴奋。设备连接的1024个电极作用下，它脑内的电波信号，清晰可见。

同样在2021年4月，Neuralink再次取得了新进展，一只猴子可以用意念玩乒乓球游戏。

实验中，一只9岁的恒河猴Pager的脑袋里被植入了两个N1 Link，工作人员用香蕉奶昔诱惑它玩游戏。

随着脑机接口技术不断推进，能够让瘫痪患者用意念操作智能手机，速度将会比手指还要快。

马斯克在去年曾表示，脑机接口将于今年用于人类。

脑机接口未来可期。

参考资料：

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/