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馬斯克的腦機介面，為什麼一定要在頭頂上開個洞？
在我們的大腦上開個 25mm 的孔，再用跟紅細胞大小差不多的針，往大腦裡插入 128 根電極束，每根電極束上又有 8 個有感測器的電極。
也就是說，要往大腦裡插入超過1000個電極，這 1000 個電極接在植入體上，植入體通過螺絲固定在頭骨，彌補缺失的頭骨，縫上頭皮。
這就是馬斯克的腦機介面公司 Neuralink 最新公佈的腦機介面手術。
目前已經有 13 位高位截癱患者和漸凍症患者接受了腦機介面手術，在術後通過練習，他們重新獲得了行動能力，還能玩遊戲。
不只是馬斯克的公司，在國內，腦智卓越中心聯合華山醫院，在給癱瘓患者接上腦機介面後，可以實現控制輪椅移動，指揮機器狗取外賣，甚至還能重新回歸工作。
另一家腦機創業公司腦虎科技，也幫助一個因為車禍癱瘓近 3000 多天的患者，把玩遊戲、操控電器的意念變成了現實。
所以這次我們來聊一聊腦機介面這一中外都受到關注的領域。
腦機介面是什麼？是不是一定要打開腦子插入電極？
這項技術離實際應用，甚至是全腦介面，還有那些需要跨越的障礙？
21 世紀是屬於生物的世紀，也是屬於材料的世紀。
這句話放在 10 年前，可能很多人會說是純純忽悠人的，但到了現在，結合腦機介面來看，含金量還在上升。
因為腦機介面，也就是 BCI 或者說是 BMI，恰好處於生物、材料交叉的領域。
我們先來聊一下腦機介面的原理。
首先，我們都知道，當大腦要指揮身體完成一個動作，是一系列複雜電訊號的過程。
比如，要拿老狐桌上的杯子，大腦先整合其他資訊，計算好用那隻手、手要伸多長。
當大腦開始傳送手臂抬起的指令，實際的過程就是電訊號的傳播。
電訊號從大腦皮層開始，傳導到錐體束、腦幹、脊髓，再到我們手臂上的神經末梢，釋放乙酰膽鹼，乙酰膽鹼觸發鈉離子內流，再引發電訊號，觸發肌肉收縮，控制手臂動作。
而腦機介面的原理，就是在檢測這些電訊號，來判斷我們想要執行的動作，這裡的關鍵就是機器如何去檢測這些電訊號。
早在 1972 年，UCLA 的研究人員就成功讓實驗對象通過腦電波控制電腦螢幕上的游標。
不過隨著技術的發展，腦機介面出現了不同的技術方向，按照訊號採集方式可以分為非侵入式、半侵入式以及侵入式。
首先是非侵入式，這是目前最常見，也是商業化最多的腦機介面裝置，這裡面又以腦電 EEG 裝置最常見，EEG 通過在頭皮放置電極，檢測大腦內電訊號的變化。
比如這種醫用的 EEG 電極帽，影視作品中我們常常能見到。在消費市場常見的睡眠監測頭環，也是 EEG 的一種。
在非侵入式腦機介面領域，比較有代表性的企業是強腦科技，他們推出過不少頭環產品，而比較出圈的是智能仿生手，通過檢測神經和肌肉細胞的電訊號，來解讀使用者的意圖，做出相應動作。
非侵入式除了 EEG，還有在醫院或科研機構才能見到的腦磁圖 MEG，它的原理是通過檢測神經元電流產生的微弱磁場變化來反映電訊號的變化。
而半侵入式，就需要給大腦做手術，將檢測電極放在了顱骨和大腦皮層之間，但不會侵入大腦皮層，不損傷大腦組織。
相比與 EEG，半侵入式採集的電訊號不用穿過皮層和顱骨，訊號衰減少，質量也更高。
打個比方，非侵入式能夠檢測到馬路上有沒有車經過，那麼半侵入則能夠檢測到經過的車是貨車、轎車還是 SUV。
清華大學在 2023 年完成了兩次半侵入式腦機介面的臨床試驗，可以看到，兩枚硬幣大小的腦機介面處理器植入了顱骨中，電極覆蓋在硬膜外，然後線纜貼在大腦上，由無線技術來供電和傳輸資訊。
一位高位截癱 14 年的患者，在接受了微創腦機介面臨床試驗手術後，經過三個月練習，可以通過氣動外骨骼手套，實現抓瓶子喝水，看採訪。
另一位高位截癱的患者，在接受手術後，經過兩個月練習，能夠用意念控制游標移動。
半侵入腦機介面另一家具有代表性的企業是 Synchron，這是一家總部位於美國的神經技術公司，投資人包括貝佐斯和比爾蓋茲。
他們的檢測腦部的方案是 “Stentrode”，翻譯過來是血管支架電極。
這個方案是通過靜脈血管，將電極支架植入患者的頭部中，來讀取腦部的電訊號活動，然後通過埋在體內的線，傳輸到胸部的處理器中，再將資料經過無線傳輸至體外來處理。
由於 Stentrode 並不是常規的非侵入式，也有人將它歸類為介入式。
介紹完非侵入式和半侵入式，侵入式是什麼，我想大家看到這裡，應該有個基本的概念了。
其中侵入式，電極會直接插入到大腦皮層內部，從某種程度上來說，這是在對大腦皮層“動刀子”。
這種方案的上限也最高，因為電極實現了單神經元細胞的訊號採集，訊號質量、精度以及資訊密度都要高很多。
還是以馬路上經過的車來比較，侵入式腦機能拍清楚車牌精準的數字，分辨車裡司機是誰，乘客有那些人。
更高的訊號質量，可以讓外接的機器完成更精準的動作，反映到我們使用電腦上，半侵入式腦機能讓患者操控滑鼠，完成點選、翻頁這些簡單動作，而侵入式能讓患者玩遊戲。
在 Neuralink 的實際植入案例中，患者甚至能通過腦機玩FPS遊戲。
簡而言之，侵入式腦機介面擁有更高的頻寬，更高的空間解析度和時間解析度，可以傳輸更豐富的大腦皮層訊號，捕捉到更精細的神經細胞電訊號。
甚至，在腦智卓越中心開發的腦機介面通訊協議上，把系統從訊號採集到指令執行的延遲控制在 100ms 以內。
那我們人體自然神經環路傳導的延遲是多少呢？
在 200 毫秒左右，大家可以打開一個網頁對自己反應速度進行測試，這感覺在給身體上科技外掛了。
由於電極深入到大腦皮層，侵入式腦機不僅可以讀取大腦電訊號，也能向大腦寫入電訊號，比如讓盲人接收視覺資訊，不過，這需要將電極插入大腦皮層更深的位置。
如果未來能實現全腦機介面，幾乎能讀取整個大腦所有的資訊，也能向整個大腦寫入相關的資訊，比如視覺、聽覺、觸覺等等，實現大腦與外部機器的高頻寬連接。
我的理解，就是腦子有了物理外掛。
總的來說，侵入式腦機可以拓展人類的能力邊界，千里眼順風耳，從理論上來說，也可以實現。
所以侵入式腦機是目前最受關注的腦機介面方案，尤其以馬斯克的 Neuralink 受到關注，雖然還沒有投入量產，但估值已經百億美元等級。
除此之外，侵入式腦機比較受到關注的企業或機構還有開山祖師等級的 BrainGate、腦虎科技以及中國科學院的腦智卓越中心等等，
所以，侵入式腦機介面可能是腦機介面的一個終極方案。
我們已經知道了侵入式腦機介面有很多優點，那為什麼很多神經技術公司不把研究方向投入到侵入式，而是要開發非侵入式，半侵入式呢？
那是因為它的缺點，或者說是技術難點還有很多。
這就好比我幼兒園就知道清華北大很好，但最後沒去上的原因。
首先，侵入式腦機介面的電極要插入大腦皮層，為了插入不傷害我們的大腦組織，這需要非常細、非常柔軟的電極材料。
而且電極長時間插入大腦皮層，還要解決生物相容性問題，這就是生物領域和材料領域的交叉融合領域。
而國內外的研究機構，都採用了了相同的方案，就是柔性電極。
以腦智卓越中心採用的是超柔性神經微電極為例，這種電極通過 MEMS 微納加工工藝製備，生產出尺寸僅為頭髮的 1/100，達到細胞尺寸等級。
所謂 MEMS 微納加工工藝，就是在奈米這個等級的尺度加工材料的工藝（Microelectromechanical systems，MEMS）。
加工出來的超柔性微電極不僅要柔軟，它的彎曲應力僅為細胞間作用力的量級，而且電極上還要有電子電路、感測器等結構，才能實現訊號感應功能，技術難度可想而知。
而且，這種超柔性微電極，還必須要減少身體的排異反應，包括長時間插入大腦皮層引起炎症，中樞神經細胞會形成膠質瘢痕，膠質瘢痕反過來會影響訊號的精度。
這些從生物相容性來說，這些都需要解決。
其次是訊號質量的問題，不只是膠質瘢痕會影響電極的訊號質量，我們大腦活動、眨眼、呼吸，包括情緒波動，這些生理活動都會產生無關的電訊號，也就是噪聲，從而影響訊號雜訊比。
即便侵入式腦機介面這種方案本身就是為了提升電極採集到訊號的訊號雜訊比，但還是避免不了訊號的噪音問題，因此，如何識別提取訊號中的有效特徵，也是腦機介面的研究方向。
第三個難點是裝置的小型化或者說是微型化，這張圖是 Neuralink 無線植入體的演變過程，上面是更早的版本，右下角 N1 是最新的版本，即便縮小了體積，但植入人頭骨上的這個裝置還是有一個硬幣的大小，也就是說需要在顱骨上挖開一個 25mm 的孔。
國內的腦智卓越中心的侵入式腦機方案，更保守也更友好一些一些，因為植入體更薄，只需要在顱骨上“挖出”一個差不多大小的凹槽，在凹槽底部再打開一個 5mm 的穿刺孔，電極由穿刺孔進入腦腔，插入大腦皮層中。
而且既然是無線裝置，它需要充電，需要對訊號進行初步的提取、完成模擬訊號到數字訊號轉換、壓縮資料、無線傳輸，這些過程都會產生熱量，而植入體必須對發熱有嚴格的控制。
在這個硬幣大小的裝置上，目前一共連接了 1000 個電極，而 Neuralink 的目標是連接2萬根電極，這意味著採集的訊號更加豐富，更加龐大，植入體需要更加強大的資料處理能力。
此外，資料傳輸對頻寬也是一個挑戰。
比如我們上網，已經非常習慣 100M 的頻寬，但是到目前為止，Neuralink 的藍牙傳輸頻寬，理論最高傳輸速度是 1Mbps。
如果想要實現全腦介面，勢必要更高的頻寬，如何提升傳輸的頻寬，並且控制發熱，仍然是腦機介面需要克服的一個障礙。
所以僅僅是植入體這一項硬體，就是一個非常大的工程挑戰。
國內的神經技術公司腦虎科技，就把植入體的電池模組置於胸口位置，讓發熱的單元可以遠離大腦位置。
未來如何把成上萬個電極插入腦中，也依然是一個需要解決的工程問題， Neuralink 給出的方案手術機器人。
由醫務人員來進行開顱手術，然後由機器人控制紅細胞大小的針頭，避開大腦中的血管，以 1.5 秒一針的速度將電極植入大腦皮層中，再將植入體固定在顱骨上。
國內的自動化研究所也成功研製腦機介面柔性微電極植入機器人 CyberSense，但在參數上離 Neuralink 的機器人還有差距，比如植入的柔性電極沒有後者細，植入速度這些也沒有提及。
即便如此，也可以見到，咱們國內很多企業或研究單位，在侵入式腦機介面方面都在取得突破，在這個領域，目前來看，是美國領先，中國追趕的形勢。
其實關於腦機介面還有一些倫理方面的討論。
比如，隱私問題，公平問題，這次我們就不展開討論了。因為也不是當下腦機介面的主要問題。
目前，接受腦機介面試驗的都是高位截癱患者或 ASL 患者（肌萎縮側索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis）），幫助他們重新擁有行動能力，這些應用前景讓腦機這項技術看起來非常讓人激動。
所以，說 21 世紀是生物的世紀，也是材料的世紀，大家會不會認同。(科技狐)