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多少根電極才夠用?

目前鋼鐵俠馬斯克的“縫紉機”已經能在動物腦子里插3千多個電極了。腦機接口的進化也符合指數定律(圖4),而將來的新技術有可能會出現很快的增長。

圖4 腦機接口的電極增長速度 圖中藍色為半導體芯片上晶體管增長數目,紅線為腦機接口記錄到的神經細胞數量。從歷史上看,晶體管數目約每2年增加一倍(摩爾定律),腦機接口記錄神經細胞的數量大約是每7年增加一倍。丨圖源:Hong and Lieber, Nature Reviews Neuroscience (2019)
https://doi．org/10．1038/s41583-019-0140-6

那么究竟需要多少電極才夠用呢?我們可以根據教科書知識來粗略估計:

首先看觸覺:人的一個手指尖的精細感覺需要大約3000個壓力感受器,有這樣的分辨率才能讓您摸出沒洗臉的粗糙或使用高級化妝品后的細膩。如此,兩手十指加上手掌,幾萬個電極不算多吧?

然后看視覺:眼睛是心靈的窗戶,大腦接收的外界信息有90% 來自眼睛;與大腦相連的視神經占大腦與整個身體相連神經總數的40%;50%的大腦用于視覺信息的處理。視神經內大約有120萬根神經纖維(每根纖維由一個神經細胞長出來,用于把自己的活動信息送進大腦)。如此看來,要想通過腦機接口看電視,總得有百萬數量級的電極吧?

最后看思想:我們知道腦殼里有左腦和右腦,各自有自己的思想和脾氣,相當于兩個“人”住在一個腦子里。那為啥您感覺不到這兩個人打架呢?因為左右腦之間有很好的溝通。這種隨時隨地,非常良好的溝通需要有兩億根神經纖維。所以您雖然有時會感到自己科學范兒和藝術范兒的矛盾, 或者用直覺做出違反邏輯判斷的決定,但基本上思想還是和諧的,沒有左右腦互相想離婚的感覺。可以設想,若要讓大腦和機器無縫對接,和諧相處,需要億數量級的電極。有這樣多的電極就能實現人腦-機器融合在一起的現象,腦子和機器不再會鬧變扭,也不再會有人想把腦機接口關了,因為關機以后會感覺腦子突然空了,突然變成傻子一樣。

大腦皮層中有約二百億個神經細胞,他們之間廣泛聯系,但主要的“互聯網絡”都是在附近幾毫米內完成的,而遠程聯系(如左腦右腦之間)只有很少量的一部分。所以最終腦機接口能達一億根電極,即腦細胞數量的百分之一左右,是符合神經系統中短程和長程連接比例的。

回到本文的題目,人腦和機器直接通訊應該是沒問題的,而真正的技術挑戰是怎樣能讓通訊的容量超過自然速度,即超過大腦通過天然的感官和肌肉與世界的通訊速度。由于神經細胞本身速度的限制,增加電極的數目是增加通訊速度的唯一辦法。按視神經里百萬根神經纖維的編碼容量,我們可以估計出大腦天然的通訊速度大約與一個視頻通道相當。而大通訊容量腦機接口的關鍵就是“最后一微米”工程。即怎樣讓大量的電極與大數量大神經神經形成可靠的連接。

從一萬個到一百萬個電極

達到一萬電極大概不難,也許馬斯克的縫紉機幾年內就能做到。但是繼續增加幾個數量級的電極就不再能用目前的軟電極技術了,因為要插入腦皮層的電線實在太多了。

連接一百萬個電極的腦機接口有可能采用不用插入的平面電極陣。這個電子技術目前已經有了,類似于手機上相機上用的CMOS芯片。手機相機輕易能達到幾百萬個像素,其中每個像素就是一個測量光強的感受器。如把光感受器改成電感受器(電極),就可以變成有幾百萬電極的腦機接口。我們看看手機的相機,可以發現幾百萬光感受器的信息并不需要幾百萬根電線通出來,而是把信號在相機硅片上已經整理好了,從一根電線上循序導出。類似地,人們可以把神經細胞放電的信息在芯片上進行預處理,然后再用一根線把神經細胞放電的信息順序導出。這個技術也叫“CMOS電極陣”,目前已經用于研究工作。

那么百萬電極的技術瓶頸在哪里呢?瓶頸就是怎樣讓神經細胞和電極形成一對一對的聯系。我們知道電極必需靠近神經細胞才能接收或發送信號。在一個有百萬電極的兩維芯片上,怎樣讓百萬神經細胞每個都湊近一個電極接點,形成穩定的信號通路呢?這情況看著有點像在一個萬人體育館里,記者席上密集排列一萬個麥克風。這時讓觀眾席上的每一個人對著其中一個麥克風說話,達到既能聽見又互不干擾的目的,看著像個不可能完成的任務。

但是這個問題也許可以通過對神經細胞的操控來解決。我們知道神經細胞上有很多枝叉,用來傳遞和處理信息。這些枝叉不是像樹枝一樣是固定的,而是像章魚觸手一樣可以動來動去。在生物實驗中培養神經細胞的時候,很容易觀察到單個神經細胞可以自己長出長長的觸手 (neurites),和周圍其他的神經細胞聯系起來(圖5)。由此可知神經細胞有向外生長,尋求刺激的原始動力。神經細胞枝叉的生長速度和方向受幾種神經生長因子的調控。

圖5 人工培養的神經細胞之間形成的連接 圖中白色亮圈所圍繞的圓形物體是神經細胞,暗色的條狀物是神經細胞長出的枝叉,神經細胞靠這些枝叉互相交聯傳遞信息。神經細胞在開始培養時,像一個個小球,互相獨立,之后幾天內就長出枝丫并與周圍的其他細胞接觸。

既然神經細胞有持續生長的動力,如果電極點上釋放吸引神經生長的化合物,并且在電極表面提供與神經細胞膜粘結的小分子,那么就有可能吸引神經突長過來,在芯片上形成大量穩定的電極-細胞界面。

這個思路叫“神經生長電極”(neurotrophic electrode),由腦機接口的前輩菲爾·肯尼迪(Philip Kennedy)發明。在他的原型器件里,電極尖端是放在一個玻璃管里了,管內含有神經生長因子(圖6)。菲爾是個傳奇性的人物,十幾年前因為FDA的手續問題和NIH研究經費的問題,他失去了在美國進行人體試驗的能力。可是他不甘自己的發明和自己一起在沒經費的狀況下逐漸老去,于是自費飛到規矩不嚴的巴西,讓醫生在他自己的腦子里植入了這種電極。不幸的是,他在自己身上的實驗也失敗了。

圖6 菲爾·肯尼迪和他的神經生長電極 A 肯尼迪的神經生長電極,箭頭所指的綠色錐形管是個吸引神經生長的玻璃管。B 玻璃管的放大照片,里面有兩根記錄電極。C 菲爾在他的實驗室里,背后的儀器可以看出是1950-60年代的水平。D 神經生長電極的原理圖,采自他2008年的文章。上面是實際記錄到的神經發放,信號質量非常好,下面示意當電極埋入大腦皮層后,遠處的神經細胞受生長因子的吸引長入玻璃管。

在科學研究上,失敗是日常,成功則是奇葩。也許過幾年哪個億萬富翁會撿起這個概念,把生長因子和CMOS 電極陣組合起來,創造一個風頭超過馬斯克1000倍的腦機接口。注意,目前的腦機接口電極與神經生長電極的理念是非常不一樣的,腦機接口是把電極暴力插入,憑運氣靠近神經細胞。而神經生長電極則是用生長因子吸引遠處的神經細胞長過來,這種方法技高一籌的原因是,電極可以長的離神經細胞非常近而避免插電極時對這個神經細胞造成損傷。而常規插電極的腦機接口總會造成電極附近的神經細胞損傷,畢竟插到很近又不損傷細胞是個小概率事件。此外,由于神經生長電極是自己長到電極上的,因此結構比較穩定也能隨著電極運動。實際測量證明,這種技術可以穩定記錄十幾年時間,這是目前其他電極難以達到的。