埃隆·馬斯克的新大腦植入設備，是炒作 or 科學？

馬斯克創辦的Neuralink公司成立至今已走過4個年頭。宗旨如其名，他們的宏圖就是要將生物的大腦通過能完美傳輸腦電波的腦機接口與機器無縫對接，實現雙向的信號讀寫。然而，即便從矽谷內同行們的視角來看，Neuralink的工作也顯得有些過於神秘了——研究、生產和動物試驗一直都鮮有信息公開。

而就在8月28日，馬斯克帶著3隻小豬進行了一場聲勢浩大的直播，介紹了Neuralink幾年來的成果。不過這次萬眾矚目的展示在某些專業人士看來，還是熱鬧多過門道，激情多過數據，遠景多過實際，問題多過答案，更像一場宣傳性質的造勢大秀。

Neuralink並非腦機接口方向上的獨行者。過去十年，該領域出現爆炸式增長，湧現了多種或是植入大腦，或是植入周圍神經，抑或是像頭盔一般放在大腦外部開展工作的腦機設備。

雖說形式各異，可核心思想都一致：腦電波歸根結底就是電信號，既然是電信號，我們就可以用套路去解碼和操縱，如果能夠自如控制這些信號，就可以從外部控制大腦，建構意識。

腦機接口的任務清單上有很多不可思議的項目，例如：讓癱瘓人士重獲運動能力，用人類意念控制機器人，以及實現心靈感應等。拿馬斯克的話說，它還將在治療抑鬱症、失眠、疼痛、癲癇、失明、失憶、中風等多種神經系統疾病方面的兌現巨大潛力。

有些項目確實已經粗有眉目了。

比如治療癱瘓：美國一位因嚴重脊髓損傷而長期癱瘓的年輕男子，從2014年起加入NeuroLife項目，通過在大腦運動皮層植入晶片以及特定的訓練與治療，成功恢復了右臂和右手的運動能力。該項目於今年4月在《細胞》（Cell）上發布了結果。

又比如意念控制：2019年就有人成功實現人腦控制機器人手臂連續跟蹤計算機屏幕上的光標。

但更多任務都還處於嘗試階段：比如通過重寫神經信號來改變抑鬱症的迴路，「記錄」下大腦記憶的電信號並進行「回放」，以及把人們的意識連接到一個腦電波的網際網路從而實現群「心」交匯，等等。

這些嘗試現在看來都有些遙遠，借用饒毅老師的評論：（馬斯克聲稱的）這些潛能是可以實現的，但前提是需要時間，而不是現在，人物不是馬斯克。而作為科技媒體人的我們，更關注技術和設備本身。

1024個電極的腦中硬幣：

精巧、更好神經脈衝處理能力、電池續航時間長……

Neuralink在2019年召開過一次產品概念和模型發布會（今年的是第二次），當時他們構想了一種無線的腦植入設備，其電極通過機器人手術被「縫製」入大腦。移植手術藉助大腦成像技術規避對腦血管的損傷。

馬斯克表示，該設計的問題在於「它包含多個組件，很複雜，會有組件從移植者的耳朵裡露出一部分來，別人一眼就能看出他佩戴了一些電子設備。」

不過剛剛公布的這款升級版有了一個更為簡潔小巧的新造型——本體的尺寸接近一枚大硬幣，可替換掉移植者頭骨內的某一小塊，與其他頭骨部分完美貼合；和它相連的電極也被置於大腦內；只要頭髮蓋住頭皮，我們就看不出任何移植的痕跡。

根據研發團隊的說法，新設備的物理特性和厚度與頭骨相似，非常適合替換部分頭骨；而之所以能緊密地固定在那個位置，是因為密封了「強力膠」（superglue）。

如此迷你的身軀，連結著1024個可單獨通斷的電極，集成了這麼多美妙的功能，無疑令人讚嘆。可與之相媲美的恐怕只有布滿960條記錄通道的Neuropixel了。這支神經探針目前被廣泛應用於科學研究，著名的艾倫腦科學研究所便是其忠實用戶之一。而另一款頗有聲望的腦植入設備——由位於美國猶他州的Blackrock Microsystems公司研發的猶他電極（Utah Array），只不過裝載了256個電極通道，雖說在測量大腦局部區域神經元電信號方面是一把好手，但在電極密度這一塊，還是難望Neuralink項背。

不過新傢伙最令人印象深刻的還要屬它對神經脈衝（neural spike，神經元發射的電信號）的處理能力。大腦中的電信號相當混亂，濾除信號噪聲，將精確的神經脈衝有效分離出來，對系統處理能力要求很高。這也是為什麼在實驗室中，神經元發射的電信號通常被離線記錄，並通過計算機而非晶片本身進行處理。

但要是考慮將神經數據從植入設備無線傳輸到外部系統，問題會更複雜：如果不對數據做準確有效的壓縮，傳輸可能會大大滯後，電池壽命會被耗盡，設備會過熱——用戶絕對不希望自己頭骨裡有塊東西過熱。

為解決上述問題，Neuralink研發團隊一直在算法上用勁，最終設計出了一套能識別和捕獲特定形狀電脈衝的程序，從而令嵌在頭骨裡的設備可以直接處理數據。每個電極通道記錄下的信號都會被濾除噪聲，分離出目標脈衝。

更值得一提的是，晶片可以通過特定配置，將捕獲目標進一步精確為某一特定類型的神經脈衝，例如：皮質內的抑制性神經元在控制神經信息處理時釋放的電信號。然後，這些經過處理的脈衝數據會通過藍牙被發送至外部設備，以實現無線監控。

前面已經提到，這個環節一直都是困擾大腦植入設備研發的難點，因為初始的神經數據體量太大，非常不便於傳輸，也難以進行自動峰電位檢測和數據壓縮。Neuralink攻克此難關，意義重大。

這款設備還帶來了其他方面的驚喜。

其一是續航能力：電池能用整整一天，而且可以在夜晚進行感應充電。

其二則為防過熱能力：設備內部裝有溫度傳感器以監控是否出現過熱情況，如果溫度升高到閾值，它將自動斷開連接，為移植者的顱骨提供安全保障。

人體感覺的秘密藏在少數神經元手裡

自成立以來，Neuralink一直著迷於增加電極數量，因為信號通道越多，設備所能追蹤記錄的神經元也就越多。

按照馬斯克的說法，他的目標是把能記錄的神經元數量增加到「100倍，接著1000倍，然後是10000倍」。

但在藉助工程學技術解決神經科學問題的過程中，光有數量基礎還不夠，解碼神經元功能才是直接揭示大腦奧秘的關鍵。實際上大部分神經迴路都以所謂「稀疏編碼」（sparse coding）的方式運作，簡單來說就是只有少數神經元會在受刺激後觸發各種感覺。

科學家們也希望可以鎖定幾個核心目標，吃透其功能機制。例如，一些研究者曾嘗試藉助光遺傳學（optogenetics，一種用光刺激神經元的技術），去精準解讀少數關鍵神經元處理記憶的過程。

簡而言之，神經信號通路貴在精，而不在多。在用腦機接口探索神經網絡機制的過程中，核心環節有兩步：

1. 設備上的電極刺激大腦特定區域；

2. 使用雙光子顯微鏡對該區域神經元進行成像。

刺激之後，會有哪些信息（如果有的話）真正被「寫入」到大腦呢？如果不知道神經迴路以何種方式及順序工作，那麼無論設備有多花哨，對上千甚至上萬個神經元的電信號刺激都只能像一次性敲打鋼琴上的全部琴鍵，而無法演奏出一段和諧旋律。

當然，我們並非是在指責Neuralink，實際上，它很可能會成為揭示眾多大腦奧秘的先鋒官。

另一個值得稱讚的方面在於研發團隊探究了植入電極對大腦的潛在損害。他們發現供電電極存在的主要問題為：

大腦會在受刺激過程中將那些並非神經元的細胞激活，進而在電極周圍形成絕緣鞘；如此一來，電極就與需要記錄的神經元隔離開來了。

至於它對植入者的健康影響，根據Neuralink公司部分員工的說法：到目前為止（至少有兩個月了），電極周圍形成的疤痕極少；不過從長遠看，頭皮上或許會結疤——這可能使得電極線難以被除去。總的來說，安全性仍需進一步優化。

馬斯克的目標是提升人類的機能

Neuralink現階段的移植對象是豬。在動物試驗中，他們招募了三隻可愛而聰穎的小剛鬣，一隻沒有植入物，一隻安裝了Neuralink，另一隻則先移植，再移除。

格特魯德（Gertrude）是那位受重點關照的被移植者，其主管鼻子功能的腦區被植入了Neuralink。當它在豬圈裡優哉遊哉，研究人員通過電極給了它一系列神經元刺激，接著格特魯德便將長長的鼻子往食物和乾草堆裡伸，甚至頂向了研究者。

那位稱為格特魯德的豬

毫無疑問，小豬（不是羅志祥）帶來了驚喜。大多數科技媒體人都期待讓某個非人類靈長類動物展現腦機接口的神奇，豬似乎也是一個不錯的選擇。

一方面，它們的頭骨密度和厚度與人類頭骨的相似。另一方面，它們賊聰明，研究者可以調教它們在跑步機上行走，然後記錄其運動皮層的電信號，以此判斷負責各處關節運動的神經元區域，也可以對它進行更複雜的測試和行為訓練，推測來自設備的電信號刺激對其運動、偏好或判斷的影響。

目前，研發團隊尚未有公開數據表明給予豬大腦皮層針對性的神經刺激可以驅動其肌肉活動。一些人認為原因可能在於刺激強度不夠，還需要對設備和程序做些微調。

今年7月，Neuralink獲得了美國FDA「突破性設備」（breakthrough device）的認定，這將大大加速其臨床應用，為截癱和四肢癱瘓人群帶來福音。不過人體試驗是否會如馬斯卡去年承諾的那樣在2020年底進行，目前尚不可知。

與其他專注於腦部疾病的腦機接口公司不同，馬斯克希望用Neuralink增強人類的身體機能。但考慮到需要通過外科手術切除移植者的部分頭骨，即便馬斯克口中那所謂的「加強自然視力」，「實現記憶回放」，或「大腦的第三人工層」的願景有多麼激動人心，普通人可能很難接受改頭骨換AI的風險。

最終，目前電極只能從位於大腦最外層的皮質處記錄信息，這使得更深層腦迴路間——關於記憶力、成癮、情緒以及多種精神疾病——的神經運作依然保持著神秘。儘管團隊有信心將電極長度延伸到更深層腦區，但這方面工作道阻且長。

雖然我仍對Neuralink持相對懷疑態度，但其研發團隊在過去一年中取得的成就確實讓人印象深刻。當然，Neuralink只是入門級成果，可它的目標非常高遠。用馬斯克的話來說：「要從這裡購買到價格低廉且可靠的設備，還需要我們做大量的工作。」

文章作者範雪萊（Shelly Fan）博士是一位有神經科學研究背景的科學作家。

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資料來源：

Neuralink’s Wildly Anticipated New Brain Implant: the Hype vs. the Science

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