上個月馬斯克宣布旗下腦機接口公司Neuralink獲得了突破性新進展，在動物身上進行的實驗已經(jīng)獲得成功。隨后Facebook也宣布能夠通過植入式電極直接讀取人腦中的單詞和短語。除了這兩家公司之外，還有不少硅谷創(chuàng)企也在涉足這一領(lǐng)域。腦機接口領(lǐng)域存在的諸多困難和挑戰(zhàn)并沒有阻擋住大家的熱情。然而，人類對大腦活動知之甚少的現(xiàn)狀讓掘金這塊市場依舊顯得遙遙無期。

上月中旬，埃隆 馬斯克（Elon Musk）宣布旗下腦機接口公司Neuralink取得了一系列新進展。這位硅谷明星創(chuàng)始人激動描述了一種“像縫紉機一樣”的機器人，可以將超纖細的線植入大腦深處。Neuralink公司聲稱，這種系統(tǒng)對大腦的損傷更小，最終將能夠讀寫大量信息。

Neuralink腦機接口效果圖

馬斯克說，Neuralink已經(jīng)用縫紉機機器人對動物進行了至少19次手術(shù)，成功放置在動物大腦中的“線”電路使得動物能夠用大腦直接控制機器，系統(tǒng)成功率達到了87%。馬斯克表示，Neuralink研究團隊已經(jīng)成功讓“一只猴子通過大腦來控制電腦”。其同時還透露，Neuralink公司正在向美國食品和藥物管理局（FDA）提出申請，最早將于明年開始對人類進行臨床試驗。

Neuralink腦機接口系統(tǒng)中的縫紉機機器人

馬斯克指出，這些成果可以解決神經(jīng)系統(tǒng)疾病，并最終被用于“實現(xiàn)一種與人工智能的共生關(guān)系”。他還說，“我們可以做很多事情來應(yīng)對大腦紊亂和損傷，但這個過程會非常緩慢。”“這將是一個緩慢的過程，我們將逐步增加要解決的問題，直到最終打造出一個完整的腦機接口。”

而在此之后不久的七月底，F(xiàn)acebook也公布了其腦機接口項目的最新研究成果。據(jù)發(fā)表在《Nature Communications》雜志上的一篇論文顯示，加州大學舊金山分校和總部位于匹茲堡的Facebook Reality Labs研究人員基于非植入的可穿戴設(shè)備構(gòu)建出一個“大腦—計算機系統(tǒng)”，能夠準確解碼測試者在大腦中構(gòu)思的單詞和短語。

Facebook的“大腦—計算機系統(tǒng)”流程圖

實驗中，研究人員在幾名正在接受正癲癇治療的志愿者大腦表面放置一塊電極，使用一種叫做皮層腦電圖（ECOG）的技術(shù)直接記錄大腦皮層的信號。在志愿者回答測試問題的過程中，研究人員會通過信號跟蹤大腦負責語言和發(fā)音的區(qū)域，同時利用語音分析模型構(gòu)建的機器學習算法從采集信號中解碼特定語音。

但這種系統(tǒng)也需要在大腦中植入電極，是高度侵入性的。研究人員表示，這種系統(tǒng)只是對9個問題的24個標準答案進行了識別，系統(tǒng)的準確度為61%至76%。其效果還遠遠低于Facebook期望能夠達到的實時解碼速度。

但Facebook表示，這項研究有助于有語言障礙的殘疾人恢復(fù)溝通能力。

腦機接口技術(shù)與Neuralink

人類對于開發(fā)大腦功能總有著一種執(zhí)念。考古學家發(fā)現(xiàn)，早在史前人類時期，有不少古人就會施以“環(huán)鋸術(shù)”，也就是在顱頂位置挖出來一個洞。考古學家推測，他們這么做是為了“獲得某種神秘的力量”。

史前人類的“環(huán)鋸術(shù)”

上世紀的科幻小說中也有將設(shè)備插入大腦以實現(xiàn)人類和計算機之間快速通信的想法。威廉·吉布森（William Gibson）在1984年的科幻小說《神經(jīng)漫游者》（Neuromancer）中就提出了一個所謂microsoft的概念，即將一個較小的盒式磁帶通過插座直接與大腦相連，為人類提供新語言等即時知識。這就是所謂的腦機接口（BCI），在大腦和外部設(shè)備之間建立直接的連接通路，讓機器執(zhí)行大腦信號所傳達的指令。

自上世紀90年代起，科學家一直在研究如何用意念操控物體。近年來，隨著人工智能等各項技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，很多腦機接口研究項目也獲得了突破性進展。在2014年的巴西世界杯的開幕式上，年僅14歲的巴西高位截癱少年身披通過大腦控制的“機械戰(zhàn)甲”，開出了第一腳球，也讓腦機接口技術(shù)正式為大眾所熟知。

2014年巴西世界杯，巴西高位截癱少年身披通過大腦控制的“機械戰(zhàn)甲”開出第一腳球

成立于2017年的Neuralink公司主要研發(fā)的就是將設(shè)備植入人類大腦皮層的腦機接口技術(shù)。目前Neuralink已獲得1.58億美元的融資，其中至少有1億美元來自馬斯克。

Neuralink公司上個月所宣布的最新成果就是一種可擴展的高帶寬腦機接口系統(tǒng)，其由一個“縫紉機機器人”以及只有4至6微米粗細的柔性線路組成，整個腦機接口系統(tǒng)共有3072個電極，分布在大約100根柔性線路上。Neuralink聲稱，他們開發(fā)的原型系統(tǒng)能夠利用“縫紉機機器人”將柔性線路插入大腦組織，同時從許多神經(jīng)元中提取信息。這些柔性線路上的電極會將檢測到的脈沖信號傳遞給位于顱骨表面的處理器。

Neuralink公司的可擴展高帶寬腦機接口系統(tǒng)

Neuralink還專門為此設(shè)計了一個“N1傳感器”。這個直徑約8毫米、高4毫米的圓柱體集成了Neuralink定制芯片，能夠從多達1536個通道中讀取大腦信號。同時，“N1傳感器”每秒可以從多達1024個電極上采集20000個分辨率為10個字節(jié)的樣本，相當于每個通道大約讀取200Mbps的神經(jīng)數(shù)據(jù)。

Neuralink公司的N1傳感器

在近期進行的演示活動中，該公司還展示了一個連接到實驗鼠身上的系統(tǒng)，可以從1500個電極讀取信息，它比目前嵌入人體的系統(tǒng)好15倍。

Neuralink公司的實驗小鼠

雖然Neuralink公司的神經(jīng)元信號提取技術(shù)似乎是最先進的，但其信號解釋方面的進展似乎不大。馬斯克表示，他的目標之一是讓四肢癱瘓患者的打字速度達到每分鐘40個單詞。

專注于腦機接口研究的其他公司

像Neuralink一樣，總部位于奧斯汀的Paradromics成立已經(jīng)有三年之久，其正在積極開發(fā)一種植入式腦部芯片，目標是讓患有失明、耳聾和癱瘓的患者與外界重新獲得溝通和聯(lián)系的機會。這種芯片獲得了大額的種子資金支持，美國國防部領(lǐng)導(dǎo)的神經(jīng)工程系統(tǒng)設(shè)計項目就為其提供了1800萬美元的資金。

該公司專有的神經(jīng)輸入-輸出總線（NIOB）封裝了5萬根模塊化微絲，可以與多達100萬個神經(jīng)元連接并產(chǎn)生刺激信號，記錄高達30Gbps的神經(jīng)活動。目前這種產(chǎn)品正處于臨床前開發(fā)階段，預(yù)計2021年或2022年將進入人體試驗，為幫助中風患者重新學習說話打下基礎(chǔ)。

除了Paradromics之外，Kernel目前也正專注于開發(fā)一種植入式的神經(jīng)芯片。該公司雄心勃勃地宣稱，未來它的技術(shù)會利用人工智能“模仿、修復(fù)和改善”人類的認知。

而Cyberdynamics公司則與布朗大學神經(jīng)科學系的研究人員合作開發(fā)了一種名為BrainGate的大腦植入系統(tǒng)，旨在幫助那些失去肢體或其他身體功能控制的人重獲新生。這種系統(tǒng)包括一個植入大腦的微電極陣列，其中有多達100個電極，可以感知神經(jīng)元放電的電磁信號。此外還有一個連接到假肢或存儲設(shè)備的外部解碼設(shè)備。

2009年，Cyberdynamics開始以名為BrainGate2的項目進行臨床試驗。2012年5月，BrainGate研究人員在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一項研究，表明兩名幾年前因腦干中風而癱瘓的人能夠控制機械手臂來抓取物體。

非侵入式腦機接口

Neuralink等公司的腦機接口技術(shù)都是一種侵入式技術(shù)，也就是說需要通過手術(shù)在大腦中植入芯片和電極。這種操作需要大量的醫(yī)學知識，

Neuralink的研究人員就表示，從短期來看，柔性線路必須在訓(xùn)練有素的外科醫(yī)生指導(dǎo)下植入大腦的運動區(qū)域和軀體感覺區(qū)域。

這也意味著，這種系統(tǒng)在植入過程中需要開顱手術(shù)，也就存在腦部感染的風險。話說不是每個人都會為開拓大腦功能而冒這種生命風險的。

相對而言，非侵入式腦機接口技術(shù)的可接納度就要高很多。

紐約初創(chuàng)公司Ctrl-labs就正在采取一種略微不同的、侵入性較低的方法將神經(jīng)脈沖轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。其開發(fā)平臺Ctrl-kit利用差動肌電圖（EMG） 通過輕量級皮膚傳感器測量并提取清晰的神經(jīng)元信號，特別是其能夠提取由大腦到手部肌肉所傳遞神經(jīng)脈沖引起的電位變化，從而將用戶的意念轉(zhuǎn)換為行動。Ctrl-kit平臺可以通過16個電極監(jiān)控由運動單元肌纖維放大的運動神經(jīng)元信號，并通過人工智能算法區(qū)分每條神經(jīng)的單個脈沖。

紐約初創(chuàng)公司Ctrl-labs的Ctrl-kit平臺

這種系統(tǒng)獨立于肌肉運動，相應(yīng)技術(shù)能夠檢測到神經(jīng)科學家們所說的動作電位，這使得它比應(yīng)用腦電圖（EEG）的可穿戴設(shè)備領(lǐng)先一步。而后者是一種通過頭皮觸點測量大腦電活動的技術(shù)。肌電圖設(shè)備能夠從更干凈、更清晰的運動神經(jīng)元信號中提取信號，因此只受到軟件機器學習模型的準確性和接觸皮膚的舒適度的限制。

2019年7月，卡內(nèi)基梅隆大學與明尼蘇達大學合作取得了一項腦機接口領(lǐng)域的突破成果。研究人員利用無創(chuàng)神經(jīng)成像技術(shù)和機器學習技術(shù)研發(fā)了一種新型腦機接口。實驗中，使用新型腦機接口的受試者以無創(chuàng)方式控制機械臂，使得機械臂能以平滑連續(xù)路徑跟蹤計算機屏幕上的光標。

Facebook也在研發(fā)非侵入式的腦機接口設(shè)備。2017年4月，F(xiàn)acebook旗下的前沿產(chǎn)品研發(fā)團隊Building 8宣布，未來將通過非侵入式的可穿戴設(shè)備讀取腦電圖，最終達到控制輸入目的。其負責人表示會開發(fā)出一個能以每分鐘100字的速度從人腦向外傳輸語句的“帽子”。

該公司曾在博文中解釋，神經(jīng)元在活躍狀態(tài)下會消耗氧氣，因此如果能夠檢測大腦內(nèi)氧水平的變化，人們也就可以間接測量大腦活動。“我們也可以使用類似紅外光的媒介，以一種非侵入性的安全方式來測量大腦中的血液氧含量。這類似于核磁共振成像中測量到的大腦信號，但使用的卻是由消費級零件制成的便攜式可穿戴設(shè)備。”

Facebook的原型機

目前而言，相關(guān)的原型機體積龐大，速度緩慢，且不可靠。但 Facebook 仍然認為這種方案潛力很大。“雖然測量氧含量可能無法解碼想象的句子，但是哪怕僅僅識別出幾個簡單的命令，比如‘主頁’、‘選擇’和‘刪除’，都將為我們提供一種全新的交互方式。”Facebook在文章中提到，這種方案的實現(xiàn)可能需要十年時間。

挑戰(zhàn)重重

高辨識度的腦機接口無疑相當復(fù)雜：它們必須能夠準確讀取神經(jīng)活動，還要找出哪些神經(jīng)元在執(zhí)行哪些任務(wù)。從過往研究上看，硬件上的限制導(dǎo)致設(shè)備在接觸到大腦的多個區(qū)域會產(chǎn)生干擾性瘢痕組織。

當然，隨著更為精細的生物相容性電極出現(xiàn)，這種情況發(fā)生了改變。這種電極可以限制瘢痕組織的產(chǎn)生，可以精確地瞄準目標神經(jīng)元，還可以使用像Ctrl-kit這樣的非侵入性外圍設(shè)備。但根本問題在于人們對大腦的大多數(shù)神經(jīng)活動過程仍然缺乏了解。

比如在大腦的前額葉和海馬體等區(qū)域，很少有神經(jīng)活動是孤立的。大多數(shù)神經(jīng)活動發(fā)生在大腦的多個不同區(qū)域，因此很難確定其信號。由于研究人員尚未破解大腦的編碼，把神經(jīng)脈沖轉(zhuǎn)換成機器可讀的信息方面也存在不少障礙。比如說來自視覺的神經(jīng)脈沖和人們在說話時產(chǎn)生的神經(jīng)脈沖完全不同，有時研究人員很難識別信號的起始點。

此外，F(xiàn)acebook們涉及腦機接口技術(shù)的舉動也引發(fā)了人們對隱私的進一步擔憂。“對我來說，大腦是一切自由的安全場所，”杜克大學（Duke University）神經(jīng)倫理學專家妮塔·法拉哈尼（Nita Farahany）在接受采訪時表示。“在沒有任何保護措施的情況下，我們即將跨越隱私的最后邊界。”

然而，這些挑戰(zhàn)和問題并沒有阻止Facebook、Neuralink、Paradromics、Kernel、Ctrl-labs等公司競相追逐腦機接口市場。據(jù)Allied market Research預(yù)計，到2020年腦機接口市場的價值將達到14.6億美元。有一件事是肯定的：這些公司前面仍是漫漫上坡路。