原创马斯克的新“脑机接口”为何是一次大突破？

昨天看完马斯克的发布，回忆起了一堆赛博朋克电影，做了一晚上的梦。

北京时间昨天下午，马斯克再次交出了一份基于自己理想的答卷，而这次的项目换成了科幻感满满的脑机接口。

这份答卷主要归功于马斯克所拥有的Neuralink公司，这家公司的宗旨十分简洁—— “开发连接人类和计算机的超高带宽脑机接口（Developing ultra high bandwidth brain-machine interfaces to connect humans and computers）” 。

关于发布会现场的一些具体报道，网络上已经有不少了，在此不再赘述。本文旨在对Neuralink的新成果进行更深入的分析，以及告诉你为何这是一次脑机接口的大突破。

先来划重点

不卖关子，我们先来看它能成为大突破的几个关键理由：

• 第一，Neuralink目前已经成功将脑机接口的电极数目增加了30倍，空间维度的变化也有实际意义；

• 第二，Neuralink并没有只瞄准科学实验场景，其解决方案具有大规模化潜力；

• 第三，也是最关键的一点，Neuralink目前的这套解决方案是“可演进”的。

接下来，我们再来逐一深入分析。

接口性能上的飞跃

脑机接口的最终目的是要将以细胞为基础单位的大脑，和以晶体管为基础单位的电脑连接起来，所以两者之间必然需要一个关键的接口。扮演这个角色的就是“微电极阵列（MEAs）”，这些微电极能够感应神经细胞之间的神经电信号，充当连接神经元和电子电路的神经接口。Neuralink本次在这一关键环节上也有创新。

传统来说，“微电极阵列”分体内体外（根据电极位置划分；体外主要针对组织研究，而不是活体），而体内微电极阵列则主要有“微导线”、“硅阵列”、“柔性阵列”三种。

而Neuralink最终选择的方案其实是“硅阵列”+“柔性阵列”的组合：外观与电极排列方式上和“硅阵列”中的“密歇根阵列”相似，都是沿着一条直线，间隔一定距离分布；材料采用柔性阵列的聚酰亚胺和铂，制作方法更是直接采用了芯片制造中的光刻技术。

最终的结果是，Neuralink的“微电极阵列”在自身直径大约30-40微米，实现单根阵列布置64个电极。因为头发直径一般是80微米左右，你最终看到的Neuralink微电极阵列就像一根根“头发丝”。

这也是为什么在现场的演示中，你会看到这些电极植入之后的效果就像“种头发”一样。

但你千万不要因为“头发丝”不起眼就看不起它，虽然它比起传统的微电极阵列小许多，但是因为电极线性排布、且数量很多，反倒能够构建起一个密集的立体电极网络。这一点完全可以超越传统的二维微电极网络，也必将帮助科学家采集到更多有用的神经电信号。

最后是微电极阵列整体尺寸的缩小和集成度提升，无疑会直接给脑机接口的部署带来好处，最关键的是减少对于脑部的伤害，让电极装置的寿命尽可能长。这一点对于未来极有可能真的植入人脑的装置来说，显然是非常关键的。

机器人图的不是酷炫

“缝衣机器人（sewing machine）”也是Neuralink发布会的一大亮点，一针一针植入微电极的动作的确很像在缝衣服

那么上面的微电极“头发丝”是怎么被送入大脑的呢？这就不能不提微电极的另外一个“微结构”：顶端的拉环。负责刺入大脑的针尖先会穿进这个环，然后通过这个环拽着整根“头发丝”一起进入大脑，到达指定深度之后，针就会往回抽，然后把“头发丝”留在大脑之中。一根“头发丝”只需要一次穿刺，伤口自然就最小。

而整台“缝衣机器人”本质上更接近于一台配备了很多影像捕捉设备的高精度机床。在它之上，会一气呵成完成数个步骤。包括在植入之前要用激光切出硬脑膜，提供植入切口。

机器人的高精度对于微电极的植入也非常重要，一来微电极本身是非常纤细，受力过大可能会断掉，通过机器植入基本不会发生这种问题。二来未来如果人们对于大脑的了解进一步加深，那么脑机接口的部署位置也将会逐步明确下来，高精度的放置能力其实能够在一定程度上确保脑机接口的作用效果。

根据发布会上公布的信息，这个机器人10秒钟就能够完成一根“头发丝”的植入动作，这个速度也相当关键，因为开颅、头部植入这样的手术本身就自带比较大的风险，手术速度越快其实意味着风险越低。

半导体技术是脑机接口的命门？

虽然是微米（um），但想要制造出这么复杂的微电极阵列技术含量还是很高的

在本次Neuralink公布的论文中，有公布详细的“微电极阵列”制造步骤，虽然跟芯片存在很大差别，但是它的确是在晶圆上用光刻技术制造出来的。这也是为什么Neuralink的“微电极阵列”可以做的这么小。

但以最终“微电极阵列”30-40um的直径来看，显然还不是当下半导体技术的极限，假如相应的材料的性能足以满足、又或者是出现全新的材料，“微电极阵列”完全有可能会变得更小，而这些“微电极阵列”的植入密度也有希望进一步提升。

左边一块一块的黄色方块区域，都是数模转换模块

在脑机接口中，半导体还有另外一个重要角色：芯片需要把大脑中的模拟信号进行转换，变成计算机可以处理的二进制信号。

数千个信号源的数模转换芯片并不常见，这也是为什么Neuralink最后选择了自研配套芯片。发布会上公布的ASIC芯片显然就是专门设计的，用来将大脑信号转化为数字信号的处理单元，占据了绝大部分芯片面积。

根据Neuralink公布的信息，单是这样一颗芯片就足以处理1024个脑部微电极的信息，而这样的芯片却只要6.6uW，一节5号电池（1.5V、2000mah）就能用上4个月。

从最后的结果来看，在微电极阵列和脑信号处理器这两个关键点，半导体技术的角色都相当重要。更新的制程和制造技术不仅能够帮助微电极阵列做的更小，脑信号处理器也能够变得更强、更省电。

持续演进，重中之重

持续演进，其实也可以看作为“追赶”。

传统脑机接口之所以发展不起来，一个关键的原因就在于相比人类大脑，传统半导体技术的尺寸单位还存在比较大差距。就例如1991年就已经诞生，沿用至今的“犹他阵列”，2毫米边长的正方形底座上虽然放上了100多个电极，但这个密度相比人脑中的860亿个神经细胞，真的是“小巫见大大大巫”了。

这就好比你非要拿着原始人的石斧，却非要去造一台超级计算机一样。

而这次Neuralink公布的微电极阵列虽然两个电极距离相差还是超过100um，但总算是开始比较接近实际的脑细胞大小了（神经细胞大概10-15um）。换言之，至少在“细胞-机器”的这个神经传递过程中，两边终于有希望在同一个尺寸度量下进行“信息交流”了（单向交流为主）。

这种进展大概率会拓展人类对于大脑的了解，这不仅将会利于脑机接口进一步发展，同时还将推动脑部疾病、人工智能等一系列技术的发展。

可这还不是终点，因为最神秘的还不是神经细胞，而是神经细胞之间如何传递信息。根据科学研究，单个神经细胞可以有多达10000个突触连接到别的神经细胞。想要充分理解数目如此庞大的突触如何工作，显然这次的Neuralink脑机接口显然还不能完成这个任务。至少再提升2-4个数量级，或许才有希望完成这个终极任务。

不过工具总归是工具，860亿个脑细胞、860万亿个突触所对应的复杂神经网络，将会消耗人类多少人力物力才能探明？在探明之后又应该如何规范、进行利用？这些都是需要在时间中解决难题，现在来恐惧还太早了点，不妨让“硅谷钢铁侠”再捣腾下吧。