作者/希瑟
硅谷鋼鐵俠Elon Musk成立的Neuralink烤低，自2016年走入大眾視野以來肘交，一直是熱門話題。近期扑馁，Neuralink的創(chuàng)始人Elon Musk又有了新的動作涯呻。
7月20日凉驻，Elon在Twitter上被計算機(jī)科學(xué)家奧斯汀·霍華德（Austin Howard）問道：Neuralink技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)直接從芯片聽音樂嗎复罐？這位硅谷鋼鐵俠回答：是的沿侈！
這一回答宴合，讓很多對腦機(jī)接口不是很了解的人瞬間腦補(bǔ)了很多畫面嘉抒。科幻電影中的畫面歷歷在目眶蕉，在1999年上映的《黑客帝國》電影中填帽，“矩陣”通過侵入式腦機(jī)接口和大腦神經(jīng)連接蛛淋，人類感受到視覺、聽覺篡腌、嗅覺褐荷、味覺等訊號，以此囚禁人類的心靈嘹悼。在《X-men》中叛甫，X教授通過“腦波強(qiáng)化機(jī)”能夠?qū)⒛X電波放大，與任何人實(shí)現(xiàn)連接杨伙。在《阿凡達(dá)》電影中其监，主角通過EEG和EMG結(jié)合，能夠控制納威人的身體限匣，在潘多拉星球上行動抖苦。
Neuralink告訴大家，2020年底或?qū)⑦M(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)米死，讓群眾感到腦機(jī)接口離我們的生活已經(jīng)很接近了锌历。
那么，在現(xiàn)階段峦筒，腦機(jī)接口究竟靠不靠譜究西，它進(jìn)展到什么階段了，還面臨哪些挑戰(zhàn)物喷？通過這篇文章卤材，我們就來聊聊腦機(jī)接口很多你所不了解的事情。
腦機(jī)接口的基本原理
首先脯丝，有必要先介紹一下商膊，什么是腦機(jī)接口？
所謂腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface, BCI）宠进，即在人或動物腦（或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物）與外部設(shè)備間建立的直接連接通路晕拆。其中，“腦”意指有機(jī)生命形式的腦或神經(jīng)系統(tǒng)，“機(jī)”意指任何處理或計算的設(shè)備实幕，其形式可以從簡單電路到硅芯片到外部設(shè)備和輪椅吝镣，“接口” = “用于信息交換的中介物”。因此昆庇，“腦機(jī)接口”的定義=“腦”+“機(jī)“+”接口”末贾。
腦機(jī)接口基本的實(shí)現(xiàn)步驟可以分為四步：采集信號（Singal Acquisition）>>信息解碼處理（Feature Extraction）>>再編碼（Freature Translation）>>反饋（Feedback）。接下來整吆，我們按照這個流程給大家逐一講解各個流程的詳細(xì)細(xì)節(jié)拱撵，以便后續(xù)理解腦機(jī)接口目前面臨的困難究竟在哪。
采集信號（Singal Acquisition）
在討論腦機(jī)接口如何做信息采集之前表蝙，我們需要了解一下人腦的構(gòu)造拴测。
如果將人腦做一個解剖面，從內(nèi)到外依次是：頭皮（Scalp）府蛇、頭蓋骨（Cranium）集索、腦硬膜（Dura mater）、蛛網(wǎng)膜（Arachnoid）汇跨、軟腦膜（Pia mater）务荆、大腦皮層（Cerebral Cotex）。
基于腦機(jī)接口對信號采集的形式穷遂，可分為三種：
侵入式（Invasive BCI）函匕，即通過開顱手術(shù)等方式，向腦組織內(nèi)植入傳感器以獲取信號的設(shè)備塞颁。其缺點(diǎn)是容易引發(fā)免疫反應(yīng)和愈傷組織浦箱，進(jìn)而導(dǎo)致信號質(zhì)量的衰退甚至消失吸耿。Elon Musk的Neuralink采用的就是這種方式祠锣。
半侵入式（Partially invasive BCI），即安置在大腦皮層表面接受信號的設(shè)備咽安，接口一般植入到顱腔內(nèi)伴网，但是位于灰質(zhì)外，其空間分辨率不如侵入式腦機(jī)接口妆棒，但是優(yōu)于非侵入式澡腾。優(yōu)點(diǎn)是引發(fā)免疫反應(yīng)和愈傷組織的幾率較小，主要基于皮層腦電圖（ECoG）進(jìn)行信息分析糕珊。
非侵入式（Non-invasive BCI）动分，不進(jìn)入大腦，即在頭骨外檢測信號的設(shè)備红选。這種形式像帽子一樣方便佩戴澜公。但是，由于顱骨對信號的衰減作用和對神經(jīng)元發(fā)生的電磁波的分散和模糊效應(yīng)喇肋，記錄到信號的分辨率并不高坟乾，很難確定發(fā)出信號的腦區(qū)或者相關(guān)的單個神經(jīng)元的放電迹辐。典型的系統(tǒng)有腦電圖(EGG)，腦電圖的有點(diǎn)是其良好的時間分辨率甚侣、易用性明吩、便攜性和相對低廉的價格。然而殷费，腦電圖技術(shù)的一個核心問題是它對噪聲的敏感性較差印荔。此外，使用EEG作為腦機(jī)接口详羡，需要用戶在使用之前進(jìn)行大量的訓(xùn)練躏鱼，才能更好地操作非侵入式腦機(jī)接口。
侵入程度越高殷绍，獲得的信號質(zhì)量和強(qiáng)度就越高染苛，風(fēng)險也更高。按照信號質(zhì)量來排列：侵入式>半侵入式>非侵入式主到。按風(fēng)險來排列：侵入式>半侵入式>非侵入式茶行。
信息解碼處理（Feature Extraction）
收集好了足夠多的信息后，就要進(jìn)行信號的解碼和再編碼以處理干擾登钥。腦電信號采集過程中的干擾有很多畔师，如工頻干擾、眼動偽跡牧牢、環(huán)境中的其他電磁干擾等看锉。
分析模型是信息解碼環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，根據(jù)采集方式的不同塔鳍，一般會有腦電圖（EGG）伯铣，皮層腦電圖（ECoG）等模型可以協(xié)助分析。
信號處理轮纫、分析及特征提取的方法包括去噪濾波腔寡、P300信號分析、小波分析+奇異值分解等掌唾。
再編碼（Freature Translation）
將分析后的信息進(jìn)行編碼放前，如何編碼取決于希望做成的事情。比如控制機(jī)械臂拿起咖啡杯給自己喝咖啡糯彬，就需要編碼成機(jī)械臂的運(yùn)動信號凭语，在復(fù)雜三維環(huán)境中準(zhǔn)確控制物體的移動軌跡及力量控制都非常的復(fù)雜。
但編碼形式也可以多種多樣撩扒，這也是腦機(jī)接口可以幾乎和任何工科學(xué)科去結(jié)合的原因似扔。最復(fù)雜的情況包括輸出到其他生物體上，比如小白鼠身上，控制它的行為方式虫几。
反饋（Feedback）
獲得環(huán)境反饋信息后再作用于大腦也非常復(fù)雜锤灿。人類通過感知能力感受環(huán)境并且傳遞給大腦進(jìn)行反饋，感知包括視覺辆脸、觸覺但校、聽覺。
腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)這一步其實(shí)是非常復(fù)雜的啡氢，包括多模態(tài)感知的混合解析也是難點(diǎn)状囱，因?yàn)榉答伣o大腦的過程可能不兼容。
Neuralink在技術(shù)上有哪些創(chuàng)新
我們可以先來看看走在領(lǐng)先水平的Neuralink的技術(shù)情況倘是，來一窺目前的發(fā)展亭枷。
2003年Carmena寫的論文是侵入式腦機(jī)接口領(lǐng)域的核心論文，這篇論文奠定了這個領(lǐng)域的基礎(chǔ)搀崭。我們來對比2003年提出的“經(jīng)典”方法叨粘，和Neuralink官網(wǎng)上以Elon Musk為第一作者的論文上提到的Neuralink的侵入式腦機(jī)接口技術(shù)，發(fā)現(xiàn)Neuralink的改進(jìn)核心主要在三個方面：
1瘤睹、使用紉針（Thread）代替電極：紉針尺寸更小升敲、數(shù)量更多、對大腦造成的損傷更小轰传，從而可以提取出信噪比更加驴党，信號源更多的信號。
2获茬、使用電極安裝機(jī)器人（Robotic electrode inserter）進(jìn)行電極安裝港庄，效率更高
3、使用專用芯片（ASIC）對信號進(jìn)行預(yù)處理 恕曲，提取出信號的feature
紉針（Thread）
所謂紉針（Thread）鹏氧，是采用多種具有生物相容性的薄膜材料制造的微笑位移神經(jīng)探針。這種材料相較于以往用的剛性金屬或這半導(dǎo)體制程的電極陣列的生物相容性更高码俩，不容易引起因?yàn)闂钍夏Ａ亢蛷澢鷦偠炔黄ヅ涠斐傻拿庖叻磻?yīng)度帮。
目前，Neuralink構(gòu)建了小而靈活的電極“紉針”陣列稿存，每個陣列多達(dá)96個紉針分布了多達(dá)3,072個電極。
機(jī)器人（Robot）
由于制作這種紉針的薄膜材料很薄瞳秽，硬度不夠瓣履，不容易植入大腦，因此Neuralink開發(fā)了機(jī)器人技術(shù)來做植入手術(shù)练俐。
該機(jī)器人每分鐘可以插入六根紉針（192個電極）袖迎。每條紉針都可以以微米級的精度單獨(dú)插入大腦中，以避免表面脈管系統(tǒng)并針對特定的大腦區(qū)域。電極陣列被封裝在一個小的可植入設(shè)備中燕锥，該設(shè)備包含用于低功耗車載放大和數(shù)字化的定制芯片：用于3072個通道的封裝所占面積小于（23×18.5×2）mm3辜贵。
下圖顯示了用這種機(jī)器人把電極插入瓊脂“果凍”的過程。
電子芯片（Electronics）
用數(shù)千個電極位置的長期記錄大腦信號归形，向電子設(shè)備和封裝提出了極大的挑戰(zhàn)托慨。
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)暇榴，同時抑制噪聲厚棵。在最小的功耗和尺寸下，對放大的信號進(jìn)行采樣和數(shù)字化蔼紧，并實(shí)時處理這些信號婆硬。
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(dú)立可編程放大器（Neuralink把它叫做Analog Pixel）奸例、片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）彬犯、用于序列化數(shù)字化輸出的外圍控制電路。
這一定制芯片可主力整個腦機(jī)接口更好地讀取查吊、清理和放大大腦信號躏嚎。
雖然Neuralink在技術(shù)上取得了一定的優(yōu)化和突破，但是無論是2003年提出的方案還是當(dāng)今的Neuralink菩貌，都依賴于“腦->機(jī)”和“機(jī)->腦”的反饋閉環(huán)卢佣。也就是說，本質(zhì)是解決解決以下兩個問題：
1）如何從大腦中獲取正確的信息箭阶？
2）如何將正確的信息發(fā)送到大腦虚茶？
第一個是“從腦到機(jī)”，捕獲大腦的輸出——記錄神經(jīng)元所說的話仇参。
第二個是“從機(jī)到腦”嘹叫，將信息輸入大腦或以其他方式改變大腦的自然流—這是刺激神經(jīng)元。
仔細(xì)分析這個閉環(huán)诈乒，仍有大量的問題沒有得到解決罩扇。
腦機(jī)接口目前所面臨的瓶頸
1、基于理論的從機(jī)到腦的反饋研究處于一片黑暗
現(xiàn)有腦機(jī)接口技術(shù)僅僅是初步解決“腦->機(jī)”方向的輸出和控制問題怕磨，但控制的效率和準(zhǔn)確率很低喂饥。這是因?yàn)榛A(chǔ)原理的限制，需要從根本上重構(gòu)現(xiàn)有腦機(jī)接口技術(shù)肠鲫，否則這項(xiàng)技術(shù)的潛力很難快速挖掘出來员帮。
相比于“腦->機(jī)”方向的問題，“機(jī)->腦”方面要面對的問題難度要更大导饲，幾乎是沒什么頭緒捞高，一片漆黑僅有寥寥燈火氯材。
“腦->機(jī)”什么意思？也就是將感知反向編碼成能被大腦讀懂的信號硝岗。舉個例子氢哮，能否把你摸小貓時的觸感或是你的一段想象記錄并通過機(jī)器反向重現(xiàn)給你，幫失明者重建視覺也是個好理解的想象型檀。
“機(jī)->腦”的研究相“腦->機(jī)”要緩慢許多冗尤，原因就是目前神經(jīng)科學(xué)對于神經(jīng)編碼的具體方式還處于未知狀態(tài)。而由機(jī)->腦對神經(jīng)編碼知識的需求要遠(yuǎn)大于“腦->機(jī)”贱除。神經(jīng)科學(xué)在單神經(jīng)元的研究也算是逐漸明朗了生闲，但大腦各種神奇之處根本無法解釋。
2月幌、受腦機(jī)接口的摩爾定律限制
研究表明碍讯，腦機(jī)接口遵循摩爾定律：
根據(jù)上圖表，以平均7.4年才能使可同時記錄的神經(jīng)元數(shù)量翻倍的速度計算扯躺，要達(dá)到同時記錄100萬個神經(jīng)元需要等到2100年捉兴，而要記錄人腦中的所有神經(jīng)元（50~100億個），則要等到2225年录语。因此倍啥，腦機(jī)接口如何解決帶寬問題成為了學(xué)術(shù)研究突破的又一關(guān)鍵問題。
3澎埠、跨學(xué)科的復(fù)雜性
腦機(jī)接口是一門多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域虽缕，核心的學(xué)科涉及物理、機(jī)械蒲稳、神經(jīng)工程氮趋、電氣工程、神經(jīng)科學(xué)等江耀，相對來說其實(shí)更偏工程實(shí)踐的剩胁，多學(xué)科只是都是工程實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。
目前腦機(jī)接口的發(fā)展祥国，需要多個學(xué)科的共同發(fā)展來支撐昵观，任何一個學(xué)科的落后都會影響到整體的發(fā)展進(jìn)程。
譬如舌稀，物理學(xué)的發(fā)展提供理論知識支撐啊犬，從原理角度解釋產(chǎn)品測試時出現(xiàn)的問題，從理論層面解決底層傳感器原理的設(shè)計和應(yīng)用問題等扩借。神經(jīng)工程椒惨，尤其是實(shí)驗(yàn)神經(jīng)學(xué)、臨床神經(jīng)病學(xué)等潮罪，為腦機(jī)接口的大腦的作用原理提供理論支撐康谆，并相應(yīng)支持產(chǎn)品的設(shè)計。人工智能領(lǐng)域的發(fā)展提供對產(chǎn)品交互體驗(yàn)的提升嫉到，算法的優(yōu)化提成整個腦機(jī)接口的處理效率和精度等沃暗。
4、難以規(guī)暮味瘢化和商業(yè)化
現(xiàn)有的侵入式腦機(jī)接口孽锥，如Neuralink，難以規(guī)南覆悖化生產(chǎn)惜辑。難以想象，讓人動手術(shù)將電極或者其他探測傳感器植入腦內(nèi)直接接觸神經(jīng)元疫赎，并形成商業(yè)規(guī)模盛撑。綜合成本考慮，非侵入式腦機(jī)接口是最容易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和規(guī)呐醺悖化的細(xì)分領(lǐng)域抵卫。但是，非侵入式腦機(jī)接口的本質(zhì)是大腦大量神經(jīng)元放電的宏觀形式胎撇，受限于電極尺寸和分布介粘，以及佩戴/安裝時候的不準(zhǔn)確性，難以做到高精度晚树。
5姻采、非技術(shù)類問題
除了上述所談?wù)摰睦碚摵图夹g(shù)層面的問題，Neuralink或者整個腦機(jī)接口領(lǐng)域想要往前邁一大步的話爵憎，還需要面臨安全問題慨亲、人性問題、倫理問題纲堵、審查問題等巡雨。因此，腦機(jī)接口真正意義上走進(jìn)生活席函，這一條路铐望，還有很長。
參考資料：
Learning to control a brain-machine interface for reaching and grasping by primates. PLoS biology,1(2),e42.
An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels. BioRxiv 703801
《中美首份8000字長文解析全球熱點(diǎn)腦機(jī)接口》
