Neuralink勁敵破紀錄，4096個電極微創植入人腦！腦機介面可望進入「5G」時代
提到腦機接口，你第一時間想到的肯定是Elon Musk創建的公司Neuralink，他們在今年1月剛剛將首個晶片植入人腦。
但Neuralink絕不是唯一發力腦機介面的公司。
5月28日，Precision Neuroscience發佈公告，他們成功在人腦上放置了4096個刺激神經元的電極，創下了新的世界紀錄。
電極數量是腦機介面領域的關鍵指標，因為它決定了大腦傳輸資料的「頻寬」，從而影響介面系統的功能。
也就是說，增加電極數量，就能提升從大腦和外界傳輸資料的效率。
上一個世界紀錄是去年9月發表在《神經外科雜誌》上的論文，他們在人腦上放置了2048個電極。
沒想到這個數字只要8個月就翻了一番，可以說是摩爾定律在BCI領域的翻版了。
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遠遠不夠，因此有了向大腦中植入電極的技術，它們形成的陣列可以同時從大腦皮層內的多個點位收集資訊.
而且電極數量非常重要。想要讓患者能夠用意念控制義肢或移動螢幕上的遊標，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。
那增加電極數量就可以解決了嗎？
也不行，因為每個電極都會刺穿腦組織，造成傷害。從100個電極擴展到1000個電極就意味著10倍的損傷。
要實現高密度的電極植入，就需要以微創的方式部署，並且具有良好的可擴展性。
因此，Precision公司就使用了一項創新技術來解決這個問題。
他們開發了一種名為Layer 7的超薄電極陣列，植入時不需要刺穿大腦，但可以收集比傳統陣列多出數百倍的數據。
之所以命名為Layer 7，是因為大腦皮質本身有6層，而這層電極組成的薄膜位於皮質頂部，也就是第7層的位置。
單一Layer 7比拇指指甲略大，但厚度只是人類髮絲的五分之一，上面能密集排布1024個微小電極，每個電極和神經元的大小相當。
Precision這次打破紀錄的4096個電極植入，就是透過同時在大腦表面放置4個Layer 7薄膜來實現的。
這些電極可以接受大腦訊號，並傳送到位於顱骨和頭皮之間的處理單元，再經過皮下放置的電線傳遞到胸部的處理單元，轉發給外界。
這些電極為什麼能夠傳遞大腦訊號？
每個電極都透過極細的鉑絲和電子設備相連，且以模組化的點陣結構排列，因此是以非常規則的幾何圖案覆蓋在大腦表面。
而且電極排布密度夠高，接收來自大腦的大量電訊號後，能以很高的解析度繪製出一定區域內的腦電活動圖。
持續輸出的腦電訊號將構成大量數據，而且包含許多噪音，因此連接的電子設備也需要進行壓縮和去噪工作。
Layer 7皮質介面的陣列模擬圖
要理解這些腦電訊號，也需要機器學習的參與。
把腦電訊號表達為可理解的形式，這種任務性質類似於機器翻譯。
神經科學的研究可以告訴我們每個腦區的大致功能，例如哪個區域負責語言，哪裡負責控製手部運動。
然而僅有這些領域知識還遠遠不夠，因為每個人的大腦構造都不一樣。即使執行相同的功能，對應的特定電訊號的位置也會有差異。
基於機器學習的軟體可以「學習」每個人的大腦構造，完成腦區位置的校準，並進行腦電訊號的翻譯和解釋。
Precision的CEO Michael Mager表示，BCI不僅僅是電極陣列，「機器學習的複雜性是驅動真正強大的BCI的必備條件。這是一個全端產品，需要跨學科團隊來開發。」
植入Layer 7薄膜不需要進行開顱手術，可以透過顱骨上一個厚度小於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」，進行植入手術的病人甚至不需要剃髮，看起來就像沒做過大手術一樣。
另外還要考慮的一點是，所有設備都是有使用壽命的，需要維修和更換。
根據Precision的說法，Layer 7所創造的介面是可逆的，且植入後大腦仍保持完整，可以降低這方面的風險。
Layer 7的皮質表面陣列和非侵入性手術都已獲得專利，而且是Precision公司的獨有技術。
在公司創辦人Benjamin Rapoport看來，這項技術的安全性和良好擴充性非常值得期待。
腦機介面的「通訊頻寬」和電極數量成正比，將更多的Layer 7放在大腦表面不會造成任何額外的腦損傷，也不會增加任何風險。
因此，可以想像到，腦機介面的通訊能力會逐漸從3G到4G，再到5G、6G，可能瞬間傳輸整個想法或直覺，將徹底改變人機溝通，甚至人類之間溝通的本質。
目前這項技術仍處於臨床測試階段，去年他們進行了首次人體植入，預計第一個商業產品將於2025年推出市場。
從Neuralink出走，自立門戶
深挖Precision這家公司就能發現，它和Neuralink之間頗有淵源。
公司創辦人Benjamin Rapoport和馬斯克曾經共同創立Neuralink，但在2021年他選擇離開，籌集了1,200萬美元創立Precision。
在公司創始的4人團隊中，有3人曾經在Neuralink工作。
Rapoport有MIT的電機工程和電腦科學博士學位，以及哈佛醫學院醫學學位，他形容自己「幾乎把整個職業生涯都奉獻給了將神經介面從科學世界帶入醫學世界」。
在公司CEO Michael Mager看來，Rapoport作為神經外科醫生和電氣工程師，一直是BCI行業的「先驅」，他為Precision的關鍵技術Layer 7定義了關鍵特徵。
在華爾街日報的一檔播客中，Rapoport曾被問到當初為什麼離開Neuralink。他沒有直接回答，而是從側面描述了他和Neuralink在技術概念上的不同看法。
我覺得，為了進入醫學和科技領域，安全是最重要的。對於醫療設備來說，安全通常意味著侵入性最小。
早期的腦機介面有一種觀念：為了從大腦中提取資訊豐富的數據，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。
我認為可以在不損害大腦的情況下提取資訊豐富的數據。懷著這樣的理念，我們成立了Precision Neuroscience。我們認為，微創性、可擴展性和安全性是神經介面的重要基礎。
這種理念上的衝突也反映在了兩家公司的實際技術路徑上。
Neuralink目前採用的系統基於穿透性微電極，需要進行開顱手術、打開大部分頭骨，透過機器人進行高精度植入，而Precision的Layer 7基於表面微電極，覆蓋大腦表面但不穿透。
在Neuralink為首個患者植入設備後，這種穿透性微電極的確發生了機械故障。
手術後幾週內，患者Noland Arbaugh腦組織中鑲嵌電極的線開始縮回，導致設備無法正常運作。
業內人士表示，之所以出現併發症，原因可能是線連接到了顱骨內的裝置上，而非腦組織表面。
聖路易斯華盛頓大學醫學院的神經外科醫生Eric Leuthardt介紹說，「工程師和科學家們沒有意識到大腦在顱內空間的移動幅度。僅僅是點頭或突然移動頭部，就可能導致設備出現幾毫米的擾動。 」
根據華爾街日報的最新報道，這位患者腦中85%的電線都已鬆動，無法正常運作。 Neuralink提出的解決方案之一是將裝置植入到大腦皮質更深處，從3-5毫米移動至8毫米處。
雖然在同一個領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，「我們採用不同的方法，適合不同的情況」「這不會是贏家通吃的市場，有不只一家公司的發展空間」。
但有一點對他們來說是相同的——都需要證明系統的安全性，並通過FDA複雜的審批和監管流程。進入市場後，也要考慮如何將成本降低到患者可接受的程度。
這些都是和科技本身一樣艱鉅的任務。