解讀Neuralink最新腦機接口設備,3年內實現「人機共生」真有可能?

2020-12-19 36氪

馬斯克宣布,他要在2023年將Neuralink的侵入式腦機接口產品推向市場。

換句話講,人腦被改造成「主機」的時代可能不遠了。

從2016年在美國加州成立Neuralink開始,馬斯克就在改造人類大腦的路上的越走越遠。而他所藉助的產品,就是一片可以植入大腦並且讀取數據的晶片,以及一臺配套的手術機器人。4年以來,馬斯克的實驗從老鼠、到猴子、再到豬,一步一步接近了「入侵人腦」的夢想。

Link V0.9

就在8月29日,馬斯克再次更新他的實驗進展——Neuralink成功將直徑23mm的晶片(Link V0.9)植入了豬腦,並且實現了神經信號的讀取及寫入。在發布會上,馬斯克帶來了三隻小豬進行對比:

第一隻豬豬沒有植入腦機接口設備,它非常快樂;

第二隻豬豬曾經被植入過腦機接口設備,之後被取出,它現在也很快樂;

第三隻豬豬現場佩戴著腦機接口設備,在被拆除了設備之後送入小黑屋觀察。為了證明豬豬是不是真的快樂,馬斯克還現場展示了豬腦電波——信號快速波動,並伴有叮叮咚咚的聲音,馬斯克說:「這是一隻植入Neuralink設備兩個月的、健康快樂且熱愛生活的豬」。

豬的腦電波

不過話說回來,豬腦和人腦構造畢竟不同,豬很容易高興,人就未必了。

儘管馬斯克透露,Neuralink將在2020年第二季度完成人體實驗,2023年推向市場,但美國FDA(食品藥物監督管理局)似乎並沒有放低門檻;此外,不少圍觀學者表示,侵入式腦機接口要真正落地還早得很,不過馬斯克的那臺手術機器人確實厲害,沒準可以先一步商業化造血。

侵入式腦機接口用於醫療,人工智慧比人腦厲害

在人的頭上挖一個洞,把晶片放進大腦之後再縫合,馬克思沒有跟你開玩笑。

Neuralink成立之初的目標就是輔助腦病的治療,對於癱瘓、中風、老年痴呆等患者來說,無法精準傳遞意志並且完成動作是一件非常痛苦的事情。但是,新的醫療手段從誕生到落地何其漫長,腦機接口在被馬斯卡發揚光大之前,其實已經默默地走過了30多年的徵途。

我們先來梳理一下腦機接口的原理和發展史。

腦機接口(brain-computer interface,BCI),是指在人或動物腦(或者腦細胞的培養物)與外部設備間建立的直接連接通路。人類一方面可以將大腦信號轉化為機器可識別的信號,實現對機器的有效控制;另一方面也可以接收來自機器的反饋,從外部實現對大腦的幹預。

腦機接口技術的核心在於對腦電波的讀寫,而腦電波是在1924年,被德國精神科醫生漢斯·貝格爾發現,直到20世紀90年代末期,利用設備讀取腦電波的技術才逐漸應用於臨床。

按照技術路線劃分,腦機接口的實現分為侵入式和非侵入式。侵入式設備需要通過手術,將晶片植入大腦;而非侵入式設備則是依靠在頭皮上部署密密麻麻的電極讀取數據。此外,侵入式和非侵入式所讀取的信號以及信號精準度也有很大差別——侵入式是Spike信號、非侵入式是EEG(腦電波);侵入式是神經元直接放電、非侵入式是一個多源混合信號,所以不如侵入式精確。

對於醫療用途來說,精準讀寫大腦信號尤為重要,因此,侵入式設備成為優選路線,這也解釋了馬斯克為Neuralink選擇的發展方向。

由於腦機接口的研究涉及神經科學、認知科學、神經工程、材料科學、人工智慧等多個學科。如何順利讀取大腦信號、被機器理解並反饋至大腦,產品如何實現工程化並通過臨床檢測,每個環節都極具挑戰。因此,到目前為止,大多數產品還處在測試狀態。

2005年,Cyberkinetics 公司經過美國 FDA 批准,在九位病人身上開展運動皮層腦接機口臨床實驗;

2014年巴西世界盃上,一位憑藉腦機接口,佩戴著外骨骼的病人從輪椅上站起來提了第一腳球,腦機接口的熱度從此一發不可收拾。

實際上,在2019年7月,馬斯克宣布Neuralink與加利福尼亞大學合作,在猴子身上實驗並取得了樂觀結果之前,史丹福大學神經修復植入體實驗室已經先一步在2016年9月,用猴子大腦配合計算機,在一分鐘之內打出了一段話:

「To be or not to be, that is the question.」

這些科研人員對腦機接口的狂熱動力,除了來自造福人類的偉大理想之外,還有對人工智慧的莫大信心。

馬斯克曾在2019年世界人工智慧大會上提到,未來科技的發展會超越人類理解他的能力,大部分人低估了人工智慧,其實人工智慧可能比最聰明的人更聰明。不過,馬斯克始終堅持,人類需要與人工智慧結合,成為半機械人,才能對抗人工智慧帶來的生存威脅。

Neuralink並無實質性進展,手術機器人有機會先落地

關於馬斯克打算在2023年將腦機設備推向市場,行業人士對此並不樂觀。但是Neuralink之所以受到高度關注,是因為馬斯克展示了Neuralink產品工程化的能力,並且產品更加小巧,植入過程也更加精簡,這已經讓業內絕大多數對手望塵莫及。此外,馬斯克宣城未來要將產品價格降低至幾千美元,也使得腦機接口這種科幻產品變得更加親民。

首先我們來看看Neuralink設備這幾年來的變化,最明顯的三點在於:

1. 晶片體積縮小,並且可完全植入,不再外露。

Neuralink上一版設備

Neuralink最新設備的植入過程

2. 晶片續航時間延長到24小時,且支持無線充電,大概率是靠藍牙通信。

3. 手術機器人大大改進,可在1小時內自動植入上千根電極絲,並且無需麻藥。

Neuralink最新版手術機器人

馬斯克在發布會展示的產品的確驚豔全場,此次Neuralink設備最大的突破在於產品外形以及植入方式的改善,這的確足夠激動人心。因為,相比於之前的外接設備來說,完全植入可以保護大腦的封閉性,減少來自外部感染風險,並且便於移動。

但停留在物理層面的改進是遠遠不夠的,正如腦機接口的目的是在於治療,這就註定了產品要經歷更為長久的臨床實驗以及後期來自市場接受度的考驗,要實現真正的突破,馬斯卡還要克服至少以下兩點:

神經信號解碼:此次發布會並未展示設備在神經信號解碼方面的突破,只是簡單演示了小豬四肢運動和腦內神經放電的關係,並且活體神經元經電刺激之後的放電反應也並不新鮮。要真正應用在人腦上,實現意識上傳和正確解讀還有很長的路要走設備對人體的損傷未知,FDA尚未批准:將晶片植入大腦,放進去只是開始,真正的風險在植入後人體可能存在的排異、感染反應,以及晶片運轉帶來的散熱和其他不穩定性因素。到目前為止,Neuralink尚未獲得FDA批准植入人體,就連目前FDA唯一批准用於臨床的腦電採集微電極「猶他陣列」都令人頭皮發麻。

猶他陣列

所幸Neuralink的電極材質相比於鋼針般的「猶他陣列」要柔和許多。馬斯克採用柔性聚合物材質製造的探針直徑僅為人類頭髮的 1/3,靈活柔軟。並且柔性聚合物導致的損傷和排異反應較少,的確能在人體內維持更長時間。Neuralink的手術機器人可以每分鐘自動在大腦植入 192 個電極,同時自動避開大腦血管,不傷害大腦神經元。相比於落地可能遙遙無期腦機晶片,或許馬斯克有機會在短期內靠這臺手術機器人造血回本。

腦機接口突破遭遇瓶頸,國內市場尚未打開

與國外相比,國內在腦機接口的研究上要含蓄很多。

馬斯克採取的是侵入式腦機接口,主要面向醫療用途,研發投入大且驗證周期長。相比之下,國內研發人員更願意走溫和一點的非侵入式路線,不需要打開大腦,只需在頭皮上外接電極裝置讀取數據即可,其產品的應用也多是在消費級市場,例如催眠、意識訓練、保健、娛樂等場景。

由於侵入式和非侵入式技術路線的對應市場不同,談不上那種技術更優越,因此,創業公司們將注意力放在了產品的商業化層面。

然而到目前為止,即使是安全性更高非侵入式腦機接口設備,也尚未出現大規模落地的產品。這一方面是腦機設備尚不能很好的讀寫大腦信息,產品易用性不佳;另一方面也有市場接受度的問題。目前大部分公司的設備需要在頭部貼滿電極片,看上去就像頭盔。例如,前端時間登陸市場的BrainCo教育頭環,雖然看上去輕巧了許多,但還是遭到很多用戶的質疑,被認為是給孩子戴上了「緊箍咒」,並且僅靠提示燈顏色和亮度來判斷用戶注意力強度並不準確。

非侵入式設備

BrainCo賦思頭環

與非侵入式設備相比,國內研發侵入式產品的公司更是少之又少。除了技術和資金方面的限制,國內醫療市場的接受度差以及高準入門檻都是難題,沒有幾個患者願意將自己的大腦開放給實驗,傳統的文化觀念在短時間也難以接受改造人腦的新觀念。因此,國內只有少數具備醫療背景的團隊或者高校在默默推動研發。

結合技術發展程度和市場推動力來看,以Neuralink為代表的國外公司暫時領先全球。不過,國內近期也出現了有望成為馬斯克對手的公司——NeuraMatrix。

這家來自清華的團隊認為,國內腦機接口技術之所以發展滯後,很大程度上是由於缺乏底層開發技術,太多人將注意力放在了上層應用搭建上,但是沒有幾家公司能夠自研晶片,如果底層開發能力,需要高價進口核心元器件不說,上層的應用擴展能力也會受到限制,實際上是造成了惡性循環,這是整個行業目前面臨的問題,也是市場上絕大多數應用產品「青黃不接」的根源。

能夠在腦機接口領域做底層技術的公司並不多,除了Neuralink,還有美國的Kernel、Paradromics等。這些公司或機構藉助侵入式設備來完成大腦與機器之間的信息傳遞。不過,受到目前技術發展程度以及人腦複雜性的客觀條件限制,以下兩大因素成為了技術突破的關鍵點:

拓寬大腦信道:充足的數據量永遠是基礎。Neuralink利用神經織將密密麻麻的電極附著在人腦上,就是通過增加電極數量來解決增加信息量的問題。從這一點來看,馬斯克的柔性材料的確有望通過FDA審核,代替猶他陣列成為新一代電極材料。但在這之後,機器如何分析並準確讀懂人腦的意志,還是一大難關。目前的技術還只停留在淺層信息讀取或者人機簡單互動,例如抓握物體,緩慢的四肢移動等,要實現意念自由傳遞並靈活操作外接設備為時尚早。保證設備的安全性。目前為止,腦機接口還停留在動物實驗狀態,也就是說,在臨床通過之前,誰都不能保證設備的可靠性。這除了要靠研發公司的技術進步,更重要的是相關機構開放人體實驗的門檻。不過,從大的趨勢上看,NeuraMatrix也主張雙向、無線的交互技術,這一點與馬斯克相吻合,只是國內目前尚未出現可完全植入頭皮的晶片。毫無疑問,馬斯克引領了侵入式腦機接口的發展方向。在此之後,如果Neuralink順利通過FDA人體實驗的審核,即使找到願意接受實驗的樣本,其產品植入後的觀察周期還將以年為單位,如果這一切都在理想狀態下進行,馬斯克倒是有望在3年內完成產品驗證,只是不知,當這樣的產品真正開放到普羅大眾面前時,會有多少人為其買單。總而言之,馬斯克的Neuralink展示了強大的工程能力,交出了產品,那麼大眾也會相信他具備取得突破性成果的能力,更多的還是時間的問題,馬斯克無疑打開了未來之門。

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