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Neuralink勁敵破紀(jì)錄，4096個電極微創(chuàng)植入人腦！腦機接口有望進入「5G」時代

新智元 整合編輯：太平洋科技 發(fā)布于：2024-06-10 21:16

提到腦機接口，你第一時間想到的肯定是Elon Musk創(chuàng)建的公司Neuralink，他們在今年1月剛剛。

但Neuralink絕不是唯一發(fā)力腦機接口的公司。

近期，Precision Neuroscience發(fā)布公告，他們成功在人腦上放置了4096個刺激神經(jīng)元的電極，創(chuàng)下了新的世界紀(jì)錄。

電極數(shù)量是腦機接口領(lǐng)域的一個關(guān)鍵指標(biāo)，因為它決定了大腦傳輸數(shù)據(jù)的「帶寬」，從而影響接口系統(tǒng)的功能。

也就是說，增加電極數(shù)量，就能提升從大腦和外界傳輸數(shù)據(jù)的效率。

上一個世界紀(jì)錄是去年9月發(fā)表在《神經(jīng)外科雜志》上的論文，他們在人腦上放置了2048個電極。

沒想到這個數(shù)字僅用8個月就翻了一番，可以說是摩爾定律在BCI領(lǐng)域的翻版了。

Layer 7超薄電極，微縫插入

想了解人類大腦的活動，從外部進行腦電圖或核磁共振成像已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此有了向大腦中植入電極的技術(shù)，它們形成的陣列可以同時從大腦皮層內(nèi)的多個點位收集信息。

而且電極數(shù)量非常重要。想要讓患者能夠用意念控制假肢或者移動屏幕上的光標(biāo)，幾十個電極根本不夠。即使是基本功能，也需要高密度的電極。

那增加電極數(shù)量就可以解決了嗎？

也不行，因為每個電極都會刺穿腦組織，并造成損傷。從100個電極擴展到1000個電極就意味著10倍的損傷。

要實現(xiàn)高密度的電極植入，就需要以微創(chuàng)的方式部署，并具有良好的可擴展性。

因此，Precision公司就使用了一項創(chuàng)新技術(shù)來解決這個問題。

他們開發(fā)了一種名為Layer 7的超薄電極陣列，植入時不需要刺穿大腦，但可以收集比傳統(tǒng)陣列多出數(shù)百倍的數(shù)據(jù)。

之所以命名為Layer 7，是因為大腦皮層本身有6層，而這層電極組成的薄膜位于皮層頂部，也就是第7層的位置。

單個Layer 7比拇指指甲略大，但厚度只是人類發(fā)絲的五分之一，上面能密集排布1024個微小電極，每個電極和神經(jīng)元的大小相當(dāng)。

Precision這次打破紀(jì)錄的4096個電極植入，就是通過同時在大腦表面放置4個Layer 7薄膜實現(xiàn)的。

這些電極可以接受大腦信號，并傳輸?shù)轿挥陲B骨和頭皮之間的處理單元，再經(jīng)過皮下放置的電線傳遞到胸部的處理單元，轉(zhuǎn)發(fā)給外界。

這些電極為什么能夠傳遞大腦信號？

每個電極都通過極細(xì)的鉑絲和電子設(shè)備相連，且以模塊化的點陣結(jié)構(gòu)排列，因此是以非常規(guī)則的幾何圖案覆蓋在大腦表面。

而且電極排布密度足夠高，接收到來自大腦的大量電信號后，能以很高的分辨率繪制出一定區(qū)域內(nèi)的腦電活動圖。

持續(xù)輸出的腦電信號將構(gòu)成海量數(shù)據(jù)，而且包含許多噪音，因此連接的電子設(shè)備還需要進行壓縮和去噪工作。

Layer 7皮質(zhì)接口的陣列模擬圖

要理解這些腦電信號，也需要機器學(xué)習(xí)的參與。

把腦電信號表達(dá)為可理解的形式，這種任務(wù)性質(zhì)類似于機器翻譯。

神經(jīng)科學(xué)的研究可以告訴我們每個腦區(qū)的大致功能，比如哪個區(qū)域負(fù)責(zé)語言，哪里負(fù)責(zé)控制手部運動。

然而僅有這些領(lǐng)域知識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因為每個人的大腦構(gòu)造都不一樣。即使執(zhí)行相同的功能，對應(yīng)的具體電信號的位置也會有差異。

基于機器學(xué)習(xí)的軟件可以「學(xué)習(xí)」每個人的大腦構(gòu)造，完成腦區(qū)位置的校準(zhǔn)，并進行腦電信號的翻譯和解釋。

Precision的CEO Michael Mager表示，BCI不僅僅是電極陣列，「機器學(xué)習(xí)的復(fù)雜性是驅(qū)動真正強大的BCI的必備條件。這是一個全棧產(chǎn)品，需要跨學(xué)科團隊來開發(fā)�！�

植入Layer 7薄膜不需要進行開顱手術(shù)，可以通過顱骨上一個厚度小于1毫米的切口插入，「滑」到大腦表面，侵入性和傷害性要小得多。

這個過程被稱為「微縫插入」，進行植入手術(shù)的病人甚至都不需要剃發(fā)，看起來就像沒做過大手術(shù)一樣。

此外還需要考慮的一點是，所有設(shè)備都是有使用壽命的，需要維修和更換。

根據(jù)Precision的說法，Layer 7所創(chuàng)造的接口是可逆的，且植入后大腦仍保持完整，可以降低這方面的風(fēng)險。

Layer 7的皮質(zhì)表面陣列和非侵入性手術(shù)均已獲得專利，而且是Precision公司的獨有技術(shù)。

在公司創(chuàng)始人Benjamin Rapoport看來，這項技術(shù)的安全性和良好擴展性非常值得期待。

腦機接口的「通信帶寬」和電極數(shù)量成正比，將更多的Layer 7放在大腦表面不會造成任何額外的腦損傷，也不會增加任何風(fēng)險。

因此，可以想象到，腦機接口的通信能力會逐漸從3G到4G，再到5G、6G，可能瞬間傳輸整個想法或直覺，將徹底改變?nèi)藱C溝通，甚至人類之間溝通的本質(zhì)。

目前這項技術(shù)仍處于臨床測試階段，去年他們進行了首次人體植入，預(yù)計第一個商業(yè)產(chǎn)品將于2025年投放市場。

從Neuralink出走，自立門戶

深挖Precision這家公司就能發(fā)現(xiàn)，它和Neuralink之間頗有淵源。

公司創(chuàng)始人Benjamin Rapoport和馬斯克曾經(jīng)共同創(chuàng)立Neuralink，但在2021年他選擇離開，籌集了1200萬美元創(chuàng)立Precision。

公司創(chuàng)始的4人團隊中，有3人曾經(jīng)在Neuralink工作。

Rapoport有MIT的電氣工程和計算機科學(xué)博士學(xué)位，以及哈佛醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)學(xué)位，他形容自己「幾乎把整個職業(yè)生涯都奉獻給了將神經(jīng)接口從科學(xué)世界帶入醫(yī)學(xué)世界」。

在公司CEO Michael Mager看來，Rapoport作為一名神經(jīng)外科醫(yī)生和電氣工程師，一直是BCI行業(yè)的「先驅(qū)」，他為Precision的關(guān)鍵技術(shù)Layer 7定義了關(guān)鍵特征。

在華爾街日報的一檔播客中，Rapoport曾被問到當(dāng)初為什么離開Neuralink。他沒有直接回答，而是從側(cè)面描述了他和Neuralink在技術(shù)理念上的不同看法。

“我覺得，為了進入醫(yī)學(xué)和科技領(lǐng)域，安全是最重要的。對于醫(yī)療設(shè)備來說，安全通常意味著侵入性最小。

早期的腦機接口有一種觀念：為了從大腦中提取信息豐富的數(shù)據(jù)，需要用微小的針狀電極刺入大腦，但這會造成一定程度的腦損傷。

我認(rèn)為可以在不損害大腦的情況下提取信息豐富的數(shù)據(jù)。懷著這樣的理念，我們成立了Precision Neuroscience。我們認(rèn)為，微創(chuàng)性、可擴展性和安全性是神經(jīng)接口的重要基礎(chǔ)。”

這種理念上的沖突也反映在了兩家公司的實際技術(shù)路徑上。

Neuralink目前采用的系統(tǒng)基于穿透性微電極，需要進行開顱手術(shù)、打開大部分頭骨，通過機器人進行高精度植入，而Precision的Layer 7基于表面微電極，覆蓋大腦表面但不穿透。

在Neuralink為首個患者植入設(shè)備后，這種穿透性微電極的確。

手術(shù)后幾周內(nèi)，患者Noland Arbaugh腦組織中鑲嵌電極的線開始縮回，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。

業(yè)內(nèi)人士表示，之所以出現(xiàn)并發(fā)癥，原因可能是線連接到了顱骨內(nèi)的裝置上，而非腦組織表面。

圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)外科醫(yī)生Eric Leuthardt介紹說，「工程師和科學(xué)家們沒有意識到大腦在顱內(nèi)空間的移動幅度。僅僅是點頭或突然移動頭部，就可能導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)幾毫米的擾動�！�

根據(jù)華爾街日報的最新報道，這位患者腦中85%的電線都已松動，無法正常工作。Neuralink提出的解決方案之一是將設(shè)備植入到大腦皮層更深處，從3-5毫米移動至8毫米處。

雖然在同一個領(lǐng)域有如此根本性的分歧，但在Precision眼中，Neuralink是同事而不是競爭對手。

公司CEO Mager表示，「我們采用不同的方法，適合不同的情況」「這不會是一個贏家通吃的市場，有不止一家公司的發(fā)展空間」。

但有一點對他們來說是相同的——都需要證明系統(tǒng)的安全性，并通過FDA復(fù)雜的審批和監(jiān)管流程。進入市場后，也要考慮如何將成本降低到患者可接受的程度。

這些都是和技術(shù)本身一樣艱巨的任務(wù)。

參考資料：

https://arstechnica.com/science/2024/05/neuralink-rival-sets-brain-chip-record-with-4096-electrodes-on-human-brain/

https://www.foxbusiness.com/lifestyle/brain-implant-thinner-hair-novel-technology-may-allow-people-devices-mind

https://techcrunch.com/2023/01/31/precision-neuroscience-is-making-brain-implants-safer-smarter-and-reversible/

https://www.globenewswire.com/en/news-release/2024/05/28/2889069/0/en/Precision-Neuroscience-Announces-World-Record-for-Number-of-Electrodes-Placed-On-Human-Brain.html

https://www.bloomberg.com/news/articles/2024-05-08/neuralink-says-implant-had-issues-after-first-human-surgery?srnd=technology-vp

本文來源：新智元
新智元

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