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内部智能寻找大脑的最佳方式是从内部寻找更小,更安全,更智能的大脑植入物print-edition iconJan 4th 2018

Special Price 作者:崔蹒缳

与神经科学家谈论脑机接口(BCIs)的时间足够长,并且体育场的类比几乎必然会出现

这比较了大脑的神经活动与人群在足球比赛中产生的噪音

从外面看,你可能会听到背景噪音,并能从咆哮中知道一支球队是否进球在体育场上方的一个软式飞艇上,您可以分辨谁已经进球并且可能参与了哪些球员只有在它内部,您可以询问第72排的球迷是如何展开的细节同样,只有靠近大脑才能真正理解正在发生的事情为了获得高分辨率的信号,现在除了打开头骨之外别无选择一种方法是将电极放置在大脑的表面在所谓的脑电图中另一种方法是将它们推入大脑组织中,例如通过使用像BrainGate的犹他州阵列这样的微电极网格来实现

运用BCIs的神经元是一个争议问题在患有运动障碍如帕金森病的人们中,通常采用意大利面条状引线和大电极对相当大面积的组织进行深部脑刺激

通常认为这种治疗方法正如纽卡斯尔大学的Andrew Jackson所认为的那样,神经元集合的记录活动,可以被用于解码相对简单的运动信号,比如意图抓住某物或延长手肘但是为了产生细粒度的控制信号,比如单个手指的移动,需要更高的精度“这些信号非常小,并且有许多神经元紧密排列在一起,全部一起发射,”匹兹堡大学的Andrew Schwartz说道

汇总它们不可避免地意味着牺牲细节

毕竟,单个细胞可以具有非常特定的功能,从导航到面板人们的认可2014年诺贝尔医学奖授予了地方和网格细胞的工作,当动物到达特定的地点时,这些细胞就会开火; “Jennifer Aniston神经元”的想法源于研究表明单个神经元可以响应特定名人的照片而开火

像Neuralink和Kernel这样的公司正在赌博BCI的最雄心勃勃的愿景,其中思想,图像和动作无缝地编码和解码,将需要高分辨率植入物美国国防部高级研究计划局(DARPA)也是五角大楼的一个分支,今年它在六个组织中分发了6500万美元,用于创建高分辨率植入式接口BrainGate和其他人继续在他们自己的系统上工作但是这些研究人员面临的挑战确实让人望而生畏理想的植入物将是安全的,小型的,无线的和持久的它将能够高速传输大量数据它将与比现有技术允许更多的神经元允许(DARPA计划设置其授予接受者1m神经元的目标,并且截止日期为2021年ra先导试验在人类中进行)它还必须在Wyss中心的ClaudeClément比喻为海边丛林的环境中行走:潮湿,炎热和咸味“大脑不适合做技术, “他说,作为首席技术官,他应该了解Da神经元,ron,ron这不会阻止人们尝试

现在正在努力创造更好的植入物,可以分为两大类:第一类是重新设计目前的小电线技术电极第二次探索新的非电学方向从使电极更小更好的方法开始Ken Shepard是哥伦比亚大学电气和生物医学工程教授,他的实验室是DARPA基金的接受者,并且正致力于建立一种设备,最终可以帮助盲人完好的视觉皮层看到,通过刺激正确的神经元以在脑内产生图像他认为他可以通过使用最先进的CMOS(互补金属氧化物半导体)电子学Shepard博士意识到任何类型的穿透电极都可能导致细胞损伤,因此他希望构建“所有表面记录设备的母亲”皮质顶部和围绕大脑的膜下 他已经创建了第一代CMOS芯片的原型,尺寸约为1厘米×1厘米,包含65,000个电极;一个稍大的第二代版本将容纳1米的传感器但是和其他人一样试图使植入物起作用,Shepard博士不仅仅是将传感器固定在芯片上,他还必须添加相同数量的放大器,一个转换器来转换模拟信号的动作电位加入到机器学习的数字0和1中,以及无线链路将数据发送(或接收)到位于头皮上的中继站,反过来,数据将无线发送(或接收)到外部用于解码的处理器该设备还需要供电,这是植入式智力游戏的另一个重要组成部分在该领域没有人将电池作为动力源的信念它们体积过大,电池液体泄漏到大脑中的风险太高和他的许多同行一样,Shepard博士使用电感耦合,通过线圈的电流产生磁场,从而在第二个线圈中产生电流(电动牙刷被充电的方式)

该工作由coi完成ls在芯片和中继站上在美国西海岸,一家名为Paradromics的创业公司也在使用电感耦合为其植入物提供动力

但是其老板Matt Angle并不认为加速表面记录能够提供足够高的分辨率,他正在研制能够被推入脑组织的微小玻璃和金属微丝束,有点像犹他州的阵列,但有更多的传感器为了阻止电线聚集在一起,从而减少它们所参与的神经元的数量,公司使用牺牲聚合物将它们分开展开;聚合物溶解但导线保持分离状态然后将它们键合到高速CMOS电路上一种带65,000个电极的器件将于明年发布用于动物研究在Paradromics可以满足其要求之前,仍有许多工作要做DARPA资助的创建可用于人的1米导线设备的目标其中最主要的是应对来自头部的数据量Dr Angle认为,初始设备每秒产生24千兆位数据(流式传输超高速数据, Netflix的高清电影每小时使用高达7GB)在动物中,这些数据可以通过电缆传输到笨重的铝制头戴式处理器上

此外,这种数据量会产生太多的热量,无法在头骨内部处理或无线传输出去

因此,所有试图创建进出大脑的高带宽信号的其他人都必须找到在不影响发送信息的速度和质量的情况下压缩数据速率Dr Angle认为,他可以通过两种方式做到这一点:首先,忽略动作电位之间的静默时刻,而不是费力地将它们编码为一串零;第二,通过专注于特定动作电位的波形而不是沿曲线记录每个点

事实上,他认为数据压缩是公司的重大卖点,并期望其他人想要创建特定的BCI应用程序或假体,插入其饲料中“我们认为自己是神经数据骨干,就像高通或英特尔一样,”他说Meshy业务一些研究人员试图摆脱线植入的想法,例如在布朗大学,Arto Nurmikko是领先的一个多学科小组创造“神经颗粒”,每颗颗粒大小的糖,可以撒在皮层顶部或植入其中

每颗颗粒必须具有内置放大器,模数转换器和向中继站发送数据的能力,该中继站可以通过感应方式为谷物供电并将信息传递给外部处理器Nurmikko博士正在测试啮齿动物系统的元素;他最终希望把数以万计的谷物放在头顶

同时,在哈佛大学的一个实验室中,郭松虹正在展示另一个创新的界面

他将一个注射器浸入一个烧杯中,并注入一个小的,滚滚而闪闪发光的网状物

看起来很奇特,洪博士是化学教授Charles Lieber实验室的博士后;他们都在努力创造一个模糊生物学和电子学之间区别的神经界面 他们的解决方案是一种由称为SU-8的柔性聚合物制成的多孔网,镶嵌着传感器和导电金属

该网设计用于解决许多问题一个与大脑对异物的免疫反应有关通过复制灵活性和柔软性的神经组织,并允许神经元和其他类型的细胞在它内部生长,它应该避免疤痕更坚硬,坚实的探针有时可能导致它也占用更少的空间:小于犹他州阵列体积的1%动物审判进展顺利;下一阶段将是将网片插入癫痫患者的大脑中,这些患者对其他治疗方式没有反应,并且正在等待在麻省理工学院一英里以外的地方取出一些组织,Polina Anikeeva实验室的成员也试图建造符合神经组织物理特性的装置Anikeeva博士是一位材料科学家,他在斯坦福大学Karl Deisseroth实验室首先进入神经科学领域,率先使用光遗传学,这是一种基因工程细胞的方式,以便它们打开和关闭“对于光线的反应她第一次看到(小鼠)大脑近距离接触时的反应让人感到惊讶,因为这是一种巧克力布丁的弹性特性,“她说,她正在处理的一个方法就是通过创建一条宽度为100微米的多通道光纤(一微米是百万分之一米),与人的头发大致相同,比其他地方的一些设备更密集,但区别它的主要原因是它可以做很多事情

“电子设备只有电流和电压不会做诀窍“,她指出,大脑不仅仅是电气而且是化学通讯,Anikeeva博士的传感器有一个使用电极进行记录的通道,但它也能够利用光遗传学

第二个通道旨在提供通道视紫红质,一种藻类蛋白质可以走私到神经元中使其对光敏感,第三种可以发光以使这些修饰的神经元可以被激活现在就知道光遗传学是否可以安全地用于人类还为时尚早:通道视紫红质必须被纳入进入使用病毒的细胞,并且有多少光可以安全照射到大脑中存在问题但是正在进行人类临床试验以使视网膜神经节细胞光敏对感光细胞受到损伤的人群; DARPA基金的另一名收款人,巴黎Fondation Voir et Entender基金会旨在使用该技术将图像从特殊护目镜直接转移到完全失明的人的视觉皮层中

原则上,其他感官也可以恢复:细胞的光遗传刺激老鼠的内耳已被用于控制听力Anikeeva博士也在用另一种刺激大脑的方式来玩弄她认为,一个弱磁场可以用来深入神经组织并加热已注入大脑如果热敏感的辣椒素受体在附近被修饰的神经元中被触发,升高的温度会导致神经元发火另一个用于记录和活化神经元的候选者,超越电压,光线和磁铁,是加利福尼亚大学的超声波Jose Carmena和Michel Maharbiz ,伯克利,是这种方法的主要支持者,这又涉及到插入微小的粒子(其中他们称之为“神经灰尘”)进入组织

通过身体传递超声波会影响这些声音中的水晶,像音叉一样振动;它产生的电压为晶体管供电,邻近组织的电活动(无论是肌肉还是神经元)都可以改变粒子发出的超声回波的性质,因此可以记录下这些活动

许多新的努力会引发更多的问题

如果野心是要创造一个涵盖大脑多个区域的“全脑界面”,对于额外的材料,无论是电线,颗粒还是微粒,可以引入人脑中的物理限制 如果这种粒子可以制作得足够小以减轻这个问题,那么就会产生另一个不确定性:它们会漂浮在大脑中,并产生什么影响

大量植入物如何通过单一程序放入大脑的不同部位,特别是如果使用细小的柔性材料会产生“湿面条”问题,使植入物过于松软而无法进入组织

(有传言说,Neuralink可能会追求自动化的“缝纫机”的想法,旨在解决这个问题)所有这些强调了设计一个既安全又好用的新型神经接口的难度

但是,努力的范围创造这样一种装置也会提示乐观:“我们正在接近一个能够进行规模记录和刺激的转折点,”伦敦克里克研究所的神经科学家Andreas Schaefer说

尽管如此,能够从数据中获取数据大脑或进入它只是第一步接下来就是处理它们