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),而將來的新技術(shù)有可能會出現(xiàn)很快的增長。

圖4 腦機(jī)接口的電極增長速度 圖中藍(lán)色為半導(dǎo)體芯片上晶體管增長數(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)教科書知識來粗略估計(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化妝品后的細(xì)膩。如此,兩手十指加上手掌,幾萬個(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120萬根神經(jīng)纖維(每根纖維由一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞長出來,用于把自己的活動信息送進(jìn)大腦)。如此看來,要想通過腦機(jī)接口看電視,總得有百萬數(shù)量級的電極吧?

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)器無縫對接,和諧相處,需要億數(shù)量級的電極。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)器不再會鬧變扭,也不再會有人想把腦機(jī)接口關(guān)了,因?yàn)殛P(guān)機(jī)以后會感覺腦子突然空了,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自然速度,即超過大腦通過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。

從一萬個(gè)到一百萬個(gè)電極

達(dá)到一萬電極大概不難,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)到幾百萬個(gè)像素,其中每個(gè)像素就是一個(gè)測量光強(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)幾百萬光感受器的信息并不需要幾百萬根電線通出來,而是把信號在相機(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觥＿@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)胞和電極形成一對一對的聯(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。在一個(gè)有百萬電極的兩維芯片上,怎樣讓百萬神經(jīng)細(xì)胞每個(gè)都湊近一個(gè)電極接點(diǎn),形成穩(wěn)定的信號通路呢?這情況看著有點(diǎn)像在一個(gè)萬人體育館里,記者席上密集排列一萬個(gè)麥克風(fēng)。這時(shí)讓觀眾席上的每一個(gè)人對著其中一個(gè)麥克風(fēng)說話,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)問題也許可以通過對神經(jīng)細(xì)胞的操控來解決。我們知道神經(jīng)細(xì)胞上有很多枝叉,用來傳遞和處理信息。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來動去。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)胞可以自己長出長長的觸手 (neurites),和周圍其他的神經(jīng)細(xì)胞聯(lián)系起來(圖5)。由此可知神經(jīng)細(xì)胞有向外生長,尋求刺激的原始動力。神經(jīng)細(xì)胞枝叉的生長速度和方向受幾種神經(jīng)生長因子的調(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)生長的動力,如果電極點(diǎn)上釋放吸引神經(jīng)生長的化合物,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)突長過來,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)生長電極 A 肯尼迪的神經(jīng)生長電極,箭頭所指的綠色錐形管是個(gè)吸引神經(jīng)生長的玻璃管。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)胞受生長因子的吸引長入玻璃管。

在科學(xué)研究上,失敗是日常,成功則是奇葩。也許過幾年哪個(gè)億萬富翁會撿起這個(gè)概念,把生長因子和CMOS 電極陣組合起來,創(chuàng)造一個(gè)風(fēng)頭超過馬斯克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)生長電極則是用生長因子吸引遠(yuǎn)處的神經(jīng)細(xì)胞長過來,這種方法技高一籌的原因是,電極可以長的離神經(jīng)細(xì)胞非常近而避免插電極時(shí)對這個(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)生長電極是自己長到電極上的,因此結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定也能隨著電極運(yùn)動。實(shí)際測量證明,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。