馬斯克署名論文揭秘腦機(jī)接口傳感器芯片原理！首次披露！

馬斯克署名論文首次公開(kāi)透露Neuralink腦機(jī)接口及N1腦部傳感器芯片原理！馬斯克竟是第一作者？！貢獻(xiàn)多大？

今天，大家想必又被馬斯克刷屏了，馬斯克在社交媒體平臺(tái)X上宣布，在昨天（28日），人類首次接受腦機(jī)接口（Neuralink）芯片植入，植入者恢復(fù)良好。

N1是由Neuralink于2019年研發(fā)成功的腦部可植入式傳感器芯片，該芯片可以將細(xì)胞膜表面電位記錄下來(lái)，并通過(guò)濾波等處理將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

那么，Neuralink腦機(jī)接口以及N1傳感器芯片的原理是怎樣的呢？

此前，Neuralink在生物學(xué)預(yù)印論文網(wǎng)站biorxiv上發(fā)布了學(xué)術(shù)論文《An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels》，首次公開(kāi)透露了該技術(shù)的部分細(xì)節(jié)。有意思的是，論文的第一作者是Elon Musk，沒(méi)錯(cuò)，就是馬斯克！好奇馬斯克對(duì)這項(xiàng)腦機(jī)接口技術(shù)的貢獻(xiàn)有多大？（該論文可在文末點(diǎn)擊【閱讀原文】查看）

N1腦部傳感器芯片高效實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一在于“線”，為了更可靠的在大腦中植入這些線，Neuralink還做了手術(shù)機(jī)器人R1。

所謂的“線”其實(shí)是采用多種具有生物相容性的薄膜材料制造的微小位移神經(jīng)探針，尺寸小，靈活性強(qiáng)。探針使用的主基板和電介質(zhì)是聚酰亞胺，這種材料封裝著金質(zhì)薄膜跡線。

晶圓級(jí)微加工工藝使得這些器件的高通量制造成為可能。每個(gè)晶圓上繪制了10個(gè)薄膜器件，而每個(gè)薄膜器件具有3072個(gè)電極觸點(diǎn)。

每個(gè)陣列由48或96個(gè)線程，每個(gè)線程包含32個(gè)獨(dú)立電極。采用倒裝芯片鍵合工藝將集成芯片鍵合到薄膜傳感器區(qū)域中的電極觸點(diǎn)上。

這樣一來(lái)就不用擔(dān)心這些“線”會(huì)像切皮蛋那樣對(duì)待大腦了，縮小“線”的橫截面積會(huì)最小化大腦中組件的位移。研究團(tuán)隊(duì)在保持高數(shù)量的電極通道的同時(shí)，使用步進(jìn)光刻和其他微加工技術(shù)以亞微米級(jí)的分辨率制作金屬膜。

在陣列中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制造了20多種不同的“線”和電極類型：

線寬范圍在5到50μm之間，包含幾種幾何形狀的記錄點(diǎn)。線的直徑在4到6μm之間，包括最多三層絕緣層和兩層導(dǎo)體。典型線長(zhǎng)約為20mm。每條“線”都以 （16 × 50）平方微米的環(huán)作為尾巴，方便穿針。

由于金電極的幾何表面積很小，研究團(tuán)隊(duì)采用表面改性來(lái)降低電生理學(xué)的阻抗，并增加界面的有效電荷承載能力。兩種表面處理材料分別為聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT）和金屬銥氧化物（IrOx），后者雖然電阻更高，但是長(zhǎng)時(shí)間使用的穩(wěn)定性和生物相容性更好。

能夠可靠植入N1腦部傳感器芯片的穿線機(jī)器人

用薄膜聚合物做成的探針精細(xì)又靈活，問(wèn)題是它們太軟太靈活了，這增加了植入手術(shù)的難度。

Neuralink為此專門(mén)開(kāi)發(fā)了一種用于植入柔性探針的神經(jīng)外科機(jī)器人。這種機(jī)器人每分鐘能植入6根探針，快速可靠，能避開(kāi)血管并從分散的大腦區(qū)域進(jìn)行記錄。

機(jī)器人的植入頭鑲嵌在400mm × 400mm × 150mm的行程三軸平臺(tái)上，并安裝有一個(gè)小型、可快速插撥的針組。

夾鉗是一根50μm的鎢絲，在尖端處彎曲，并能軸向和旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)。它在輸送過(guò)程中負(fù)責(zé)探針的支撐，并確保其沿針道植“線”。

下圖顯示了用這種機(jī)器人把電極插入瓊脂“果凍”的過(guò)程。

穿線機(jī)器人還包含成像組件（圖中的E），用于將針引導(dǎo)到線環(huán)，插入目標(biāo)，實(shí)時(shí)查看和驗(yàn)證。

此外，插入器頭包含六個(gè)獨(dú)立的光模塊（圖中的C），每個(gè)模塊能夠獨(dú)立地以405 nm、525 nm和650 nm幾種波長(zhǎng)的光或者白光進(jìn)行照射。

405nm照明用于激發(fā)聚酰亞胺的熒光，令光學(xué)組件和計(jì)算機(jī)視覺(jué)可靠地定位于16×50μm2的區(qū)域，執(zhí)行亞微米視覺(jué)伺服以引導(dǎo)，再用650nm照射通過(guò)小孔。

立體攝像機(jī)基于軟件計(jì)算的單眼擴(kuò)展景深，用525nm光照射精確估計(jì)皮質(zhì)表面的位置。

這個(gè)機(jī)器人還會(huì)把植入位置記錄到具有顱骨界標(biāo)的公共坐標(biāo)系中，當(dāng)與深度跟蹤相結(jié)合時(shí)，能夠精確地瞄準(zhǔn)解剖學(xué)定義的腦結(jié)構(gòu)。

集成的定制軟件套件允許預(yù)先選定所有植入位置，這樣可以優(yōu)化植入路徑的規(guī)劃，最大限度地減少“線”的纏結(jié)和繃緊。

規(guī)劃?rùn)C(jī)器人功能時(shí)，Neuralink強(qiáng)調(diào)了在植入過(guò)程中避免脈管系統(tǒng)的能力，這是機(jī)器人的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一。這一點(diǎn)是非常重要，因?yàn)檠X屏障的損傷被認(rèn)為在大腦對(duì)異物的炎癥反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。

這個(gè)機(jī)器人具有自動(dòng)植入模式，整個(gè)植入過(guò)程可以自動(dòng)化，但外科醫(yī)生能夠?qū)ζ浔３滞耆刂疲绻枰?，可以進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)。

整個(gè)外科機(jī)器人是無(wú)菌的，能對(duì)針進(jìn)行自動(dòng)無(wú)菌超聲波清潔。針組是插入器頭部與腦組織直接接觸的部分，屬于消耗品，在手術(shù)中可在一分鐘內(nèi)更換。

該系統(tǒng)在19次手術(shù)中平均植入成功率為87.1±12.6％（平均值±s.d.）。每個(gè)手術(shù)平均插入時(shí)間為45分鐘，插入速率約為每分鐘29.6個(gè)電極。

用數(shù)千個(gè)電極位置的長(zhǎng)期記錄大腦信號(hào)，向電子設(shè)備和封裝提出了極大的挑戰(zhàn)。

高密度的記錄通道要求信號(hào)放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換必須集成在陣列組件中。而且這個(gè)集成的組件必須能放大微弱的神經(jīng)信號(hào)(< 10 μVRMS)，同時(shí)抑制噪聲。在最小的功耗和尺寸下，對(duì)放大的信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化，并實(shí)時(shí)處理這些信號(hào)。

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(gè)部分組成：256個(gè)獨(dú)立可編程放大器（Neuralink把它叫做Analog Pixel）、片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、用于序列化數(shù)字化輸出的外圍控制電路。

Analog Pixel具有高度可配置性：增益和濾波特性可以進(jìn)行校準(zhǔn)，以解決因工藝變化和電生理環(huán)境導(dǎo)致的信號(hào)質(zhì)量變化。

1、片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器以19.3kHZ、10bit分辨率進(jìn)行采樣。

2、每個(gè)Analog Pixel消耗5.2μW，包括時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器在內(nèi)，整個(gè)ASIC功耗6mW。

Neuralink專用集成電路的性能參數(shù)如下表：

在整個(gè)腦機(jī)接口系統(tǒng)中，ASIC和其他專用集成電路一起放在印刷電路板上。系統(tǒng)由一個(gè)FPGA、實(shí)時(shí)溫度加速度與磁場(chǎng)傳感器、全帶寬數(shù)據(jù)傳輸USB-C連接器組成。

該系統(tǒng)封裝在涂有聚二甲苯的鈦金屬外殼中，聚對(duì)二甲苯的作用是防止液體進(jìn)入延長(zhǎng)使用壽命。

Neuralink制造了兩種不同配置的系統(tǒng)：一個(gè)包含1536通道(System A)，一個(gè)包含3072通道(System B)。System A采用了新的ASIC，System B采用了功能相當(dāng)?shù)阅芤?guī)格較差的早期版本。二者的差異如下：

• System B的優(yōu)勢(shì)是最大化信道密度，用于要求極高信道數(shù)的場(chǎng)景。
• System A的優(yōu)勢(shì)是制造起來(lái)更快更可靠，它的制造速度比System A快五倍，產(chǎn)量更高。

連接以太網(wǎng)的基站將來(lái)自這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成多點(diǎn)傳送10G以太網(wǎng)UDP數(shù)據(jù)包，允許下游用戶以多種方式處理數(shù)據(jù)，比如實(shí)時(shí)可視化數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)。

每個(gè)基站最多可以同時(shí)連接三個(gè)植入物。這些設(shè)備還有軟件生態(tài)系統(tǒng)的支持，允許零配置的即插即用性。當(dāng)連接電纜時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)傳輸神經(jīng)數(shù)據(jù)。

如何記錄腦電波

Neuralink使用換向電纜進(jìn)行電生理記錄，可以不受動(dòng)物活動(dòng)的限制。System A可以同時(shí)記錄1536個(gè)通道中的1344個(gè)，在記錄時(shí)可以任意指定通道配置的精度。系統(tǒng)B可以同時(shí)記錄所有3072個(gè)通道。二者使用在線檢測(cè)算法實(shí)時(shí)處理數(shù)字化寬帶信號(hào)以識(shí)別動(dòng)作電位（尖峰信號(hào)）。

但是實(shí)時(shí)腦機(jī)接口對(duì)尖峰檢測(cè)的要求，與大多數(shù)傳統(tǒng)神經(jīng)生理學(xué)不同。電生理學(xué)家可以并花費(fèi)大量時(shí)間離線處理數(shù)據(jù)，而實(shí)時(shí)檢測(cè)的腦機(jī)接口必須最大化解碼效率。

考慮到這些因素，Neuralink設(shè)置了>0.35 Hz的閾值來(lái)量化記錄尖峰單元的電極數(shù)量。腦機(jī)接口解碼器通常在沒(méi)有尖峰分類的情況下運(yùn)行，保證性能損失最小。

研究人員記錄了所有1280個(gè)植入通道。在這個(gè)陣列種，尖峰的產(chǎn)生量是通道的53.4 %，許多尖峰出現(xiàn)在多個(gè)相鄰的通道上，這和在其他高密度探針中觀察到的結(jié)果一樣。在19個(gè)腦機(jī)接口手術(shù)中觀察到尖峰產(chǎn)生量為59.10±5.74%，最高值為85.5 %。

結(jié)語(yǔ)

Neuralink的腦機(jī)接口技術(shù)由腦部可植入傳感器芯片和解碼讀取系統(tǒng)等構(gòu)成，未來(lái)有望幫助癲癇、漸凍癥、失明等病癥患者恢復(fù)感覺(jué)、視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等能力在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療當(dāng)中也大有可為。但當(dāng)前設(shè)備限制了這一技術(shù)在臨床當(dāng)中的應(yīng)用。

Neuralink的成果推進(jìn)了這一領(lǐng)域的落地應(yīng)用，但從臨床到更大范圍的應(yīng)用，不僅有賴于多學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究進(jìn)展，在安全、倫理、價(jià)格等諸多方面也有許多值得進(jìn)一步討論的地方。

你覺(jué)得呢？

本文主要資料來(lái)自:

量子位《馬斯克一作！Neuralink腦機(jī)接口細(xì)節(jié)公布，特殊材料防大腦損傷，專用芯片助技術(shù)落地》

biorxiv網(wǎng)站《An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels》