多少根電極才夠用?

目前鋼鐵俠馬斯克的“縫紉機(jī)”已經(jīng)能在動(dòng)物腦子里插3千多個(gè)電極了。腦機(jī)接口的進(jìn)化也符合指數(shù)定律(圖4),而將來(lái)的新技術(shù)有可能會(huì)出現(xiàn)很快的增長(zhǎng)。

圖4 腦機(jī)接口的電極增長(zhǎng)速度 圖中藍(lán)色為半導(dǎo)體芯片上晶體管增長(zhǎng)數(shù)目,紅線為腦機(jī)接口記錄到的神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量。從歷史上看,晶體管數(shù)目約每2年增加一倍(摩爾定律),腦機(jī)接口記錄神經(jīng)細(xì)胞的數(shù)量大約是每7年增加一倍。丨圖源:Hong and Lieber, Nature Reviews Neuroscience (2019)
https://doi．org/10．1038/s41583-019-0140-6

那么究竟需要多少電極才夠用呢?我們可以根據(jù)教科書知識(shí)來(lái)粗略估計(jì):

首先看觸覺:人的一個(gè)手指尖的精細(xì)感覺需要大約3000個(gè)壓力感受器,有這樣的分辨率才能讓您摸出沒洗臉的粗糙或使用高級(jí)化妝品后的細(xì)膩。如此,兩手十指加上手掌,幾萬(wàn)個(gè)電極不算多吧?

然后看視覺:眼睛是心靈的窗戶,大腦接收的外界信息有90% 來(lái)自眼睛;與大腦相連的視神經(jīng)占大腦與整個(gè)身體相連神經(jīng)總數(shù)的40%;50%的大腦用于視覺信息的處理。視神經(jīng)內(nèi)大約有120萬(wàn)根神經(jīng)纖維(每根纖維由一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞長(zhǎng)出來(lái),用于把自己的活動(dòng)信息送進(jìn)大腦)。如此看來(lái),要想通過(guò)腦機(jī)接口看電視,總得有百萬(wàn)數(shù)量級(jí)的電極吧?

最后看思想:我們知道腦殼里有左腦和右腦,各自有自己的思想和脾氣,相當(dāng)于兩個(gè)“人”住在一個(gè)腦子里。那為啥您感覺不到這兩個(gè)人打架呢?因?yàn)樽笥夷X之間有很好的溝通。這種隨時(shí)隨地,非常良好的溝通需要有兩億根神經(jīng)纖維。所以您雖然有時(shí)會(huì)感到自己科學(xué)范兒和藝術(shù)范兒的矛盾, 或者用直覺做出違反邏輯判斷的決定,但基本上思想還是和諧的,沒有左右腦互相想離婚的感覺�？梢栽O(shè)想,若要讓大腦和機(jī)器無(wú)縫對(duì)接,和諧相處,需要億數(shù)量級(jí)的電極。有這樣多的電極就能實(shí)現(xiàn)人腦-機(jī)器融合在一起的現(xiàn)象,腦子和機(jī)器不再會(huì)鬧變扭,也不再會(huì)有人想把腦機(jī)接口關(guān)了,因?yàn)殛P(guān)機(jī)以后會(huì)感覺腦子突然空了,突然變成傻子一樣。

大腦皮層中有約二百億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞,他們之間廣泛聯(lián)系,但主要的“互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”都是在附近幾毫米內(nèi)完成的,而遠(yuǎn)程聯(lián)系(如左腦右腦之間)只有很少量的一部分。所以最終腦機(jī)接口能達(dá)一億根電極,即腦細(xì)胞數(shù)量的百分之一左右,是符合神經(jīng)系統(tǒng)中短程和長(zhǎng)程連接比例的。

回到本文的題目,人腦和機(jī)器直接通訊應(yīng)該是沒問題的,而真正的技術(shù)挑戰(zhàn)是怎樣能讓通訊的容量超過(guò)自然速度,即超過(guò)大腦通過(guò)天然的感官和肌肉與世界的通訊速度。由于神經(jīng)細(xì)胞本身速度的限制,增加電極的數(shù)目是增加通訊速度的唯一辦法。按視神經(jīng)里百萬(wàn)根神經(jīng)纖維的編碼容量,我們可以估計(jì)出大腦天然的通訊速度大約與一個(gè)視頻通道相當(dāng)。而大通訊容量腦機(jī)接口的關(guān)鍵就是“最后一微米”工程。即怎樣讓大量的電極與大數(shù)量大神經(jīng)神經(jīng)形成可靠的連接。

從一萬(wàn)個(gè)到一百萬(wàn)個(gè)電極

達(dá)到一萬(wàn)電極大概不難,也許馬斯克的縫紉機(jī)幾年內(nèi)就能做到。但是繼續(xù)增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)的電極就不再能用目前的軟電極技術(shù)了,因?yàn)橐�插入腦皮層的電線實(shí)在太多了。

連接一百萬(wàn)個(gè)電極的腦機(jī)接口有可能采用不用插入的平面電極陣。這個(gè)電子技術(shù)目前已經(jīng)有了,類似于手機(jī)上相機(jī)上用的CMOS芯片。手機(jī)相機(jī)輕易能達(dá)到幾百萬(wàn)個(gè)像素,其中每個(gè)像素就是一個(gè)測(cè)量光強(qiáng)的感受器。如把光感受器改成電感受器(電極),就可以變成有幾百萬(wàn)電極的腦機(jī)接口。我們看看手機(jī)的相機(jī),可以發(fā)現(xiàn)幾百萬(wàn)光感受器的信息并不需要幾百萬(wàn)根電線通出來(lái),而是把信號(hào)在相機(jī)硅片上已經(jīng)整理好了,從一根電線上循序?qū)С�。類似�?人們可以把神經(jīng)細(xì)胞放電的信息在芯片上進(jìn)行預(yù)處理,然后再用一根線把神經(jīng)細(xì)胞放電的信息順序?qū)С�。這個(gè)技術(shù)也叫“CMOS電極陣”,目前已經(jīng)用于研究工作。

那么百萬(wàn)電極的技術(shù)瓶頸在哪里呢?瓶頸就是怎樣讓神經(jīng)細(xì)胞和電極形成一對(duì)一對(duì)的聯(lián)系。我們知道電極必需靠近神經(jīng)細(xì)胞才能接收或發(fā)送信號(hào)。在一個(gè)有百萬(wàn)電極的兩維芯片上,怎樣讓百萬(wàn)神經(jīng)細(xì)胞每個(gè)都湊近一個(gè)電極接點(diǎn),形成穩(wěn)定的信號(hào)通路呢?這情況看著有點(diǎn)像在一個(gè)萬(wàn)人體育館里,記者席上密集排列一萬(wàn)個(gè)麥克風(fēng)。這時(shí)讓觀眾席上的每一個(gè)人對(duì)著其中一個(gè)麥克風(fēng)說(shuō)話,達(dá)到既能聽見又互不干擾的目的,看著像個(gè)不可能完成的任務(wù)。

但是這個(gè)問題也許可以通過(guò)對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的操控來(lái)解決。我們知道神經(jīng)細(xì)胞上有很多枝叉,用來(lái)傳遞和處理信息。這些枝叉不是像樹枝一樣是固定的,而是像章魚觸手一樣可以動(dòng)來(lái)動(dòng)去。在生物實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)神經(jīng)細(xì)胞的時(shí)候,很容易觀察到單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞可以自己長(zhǎng)出長(zhǎng)長(zhǎng)的觸手 (neurites),和周圍其他的神經(jīng)細(xì)胞聯(lián)系起來(lái)(圖5)。由此可知神經(jīng)細(xì)胞有向外生長(zhǎng),尋求刺激的原始動(dòng)力。神經(jīng)細(xì)胞枝叉的生長(zhǎng)速度和方向受幾種神經(jīng)生長(zhǎng)因子的調(diào)控。

圖5 人工培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞之間形成的連接 圖中白色亮圈所圍繞的圓形物體是神經(jīng)細(xì)胞,暗色的條狀物是神經(jīng)細(xì)胞長(zhǎng)出的枝叉,神經(jīng)細(xì)胞靠這些枝叉互相交聯(lián)傳遞信息。神經(jīng)細(xì)胞在開始培養(yǎng)時(shí),像一個(gè)個(gè)小球,互相獨(dú)立,之后幾天內(nèi)就長(zhǎng)出枝丫并與周圍的其他細(xì)胞接觸。

既然神經(jīng)細(xì)胞有持續(xù)生長(zhǎng)的動(dòng)力,如果電極點(diǎn)上釋放吸引神經(jīng)生長(zhǎng)的化合物,并且在電極表面提供與神經(jīng)細(xì)胞膜粘結(jié)的小分子,那么就有可能吸引神經(jīng)突長(zhǎng)過(guò)來(lái),在芯片上形成大量穩(wěn)定的電極-細(xì)胞界面。

這個(gè)思路叫“神經(jīng)生長(zhǎng)電極”(neurotrophic electrode),由腦機(jī)接口的前輩菲爾·肯尼迪(Philip Kennedy)發(fā)明。在他的原型器件里,電極尖端是放在一個(gè)玻璃管里了,管內(nèi)含有神經(jīng)生長(zhǎng)因子(圖6)。菲爾是個(gè)傳奇性的人物,十幾年前因?yàn)镕DA的手續(xù)問題和NIH研究經(jīng)費(fèi)的問題,他失去了在美國(guó)進(jìn)行人體試驗(yàn)的能力�？墒撬�不甘自己的發(fā)明和自己一起在沒經(jīng)費(fèi)的狀況下逐漸老去,于是自費(fèi)飛到規(guī)矩不嚴(yán)的巴西,讓醫(yī)生在他自己的腦子里植入了這種電極。不幸的是,他在自己身上的實(shí)驗(yàn)也失敗了。

圖6 菲爾·肯尼迪和他的神經(jīng)生長(zhǎng)電極 A 肯尼迪的神經(jīng)生長(zhǎng)電極,箭頭所指的綠色錐形管是個(gè)吸引神經(jīng)生長(zhǎng)的玻璃管。B 玻璃管的放大照片,里面有兩根記錄電極。C 菲爾在他的實(shí)驗(yàn)室里,背后的儀器可以看出是1950-60年代的水平。D 神經(jīng)生長(zhǎng)電極的原理圖,采自他2008年的文章。上面是實(shí)際記錄到的神經(jīng)發(fā)放,信號(hào)質(zhì)量非常好,下面示意當(dāng)電極埋入大腦皮層后,遠(yuǎn)處的神經(jīng)細(xì)胞受生長(zhǎng)因子的吸引長(zhǎng)入玻璃管。

在科學(xué)研究上,失敗是日常,成功則是奇葩。也許過(guò)幾年哪個(gè)億萬(wàn)富翁會(huì)撿起這個(gè)概念,把生長(zhǎng)因子和CMOS 電極陣組合起來(lái),創(chuàng)造一個(gè)風(fēng)頭超過(guò)馬斯克1000倍的腦機(jī)接口。注意,目前的腦機(jī)接口電極與神經(jīng)生長(zhǎng)電極的理念是非常不一樣的,腦機(jī)接口是把電極暴力插入,憑運(yùn)氣靠近神經(jīng)細(xì)胞。而神經(jīng)生長(zhǎng)電極則是用生長(zhǎng)因子吸引遠(yuǎn)處的神經(jīng)細(xì)胞長(zhǎng)過(guò)來(lái),這種方法技高一籌的原因是,電極可以長(zhǎng)的離神經(jīng)細(xì)胞非常近而避免插電極時(shí)對(duì)這個(gè)神經(jīng)細(xì)胞造成損傷。而常規(guī)插電極的腦機(jī)接口總會(huì)造成電極附近的神經(jīng)細(xì)胞損傷,畢竟插到很近又不損傷細(xì)胞是個(gè)小概率事件。此外,由于神經(jīng)生長(zhǎng)電極是自己長(zhǎng)到電極上的,因此結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定也能隨著電極運(yùn)動(dòng)。實(shí)際測(cè)量證明,這種技術(shù)可以穩(wěn)定記錄十幾年時(shí)間,這是目前其他電極難以達(dá)到的。