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怎樣達到一億個電極

億級數量的電極應該遍及各個腦結構,而不是集中在一個腦區。另外那么多電極已經不可能再有電線,應該用無線網把神經信號傳給外面的接收器。目前的IPv4互聯網已經能同時連接四十億個器件,所以電子工程并不是瓶頸。而瓶頸是微小的電池和把大批微小的腦機接口布置到腦皮層里。把電子線路做得像神經細胞一樣小并不難,但是要給這億萬個摻雜在神經細胞間的“小手機”充電可就太難了。目前的一種辦法是用超聲波供給能量,但為了提供足夠的能量卻需要一塊很大的晶體來接收聲波,如此就不能把無線裝置做得像神經細胞這么小。

另一種辦法是血糖電池,就是利用葡萄糖氧化的能量提供電力。目前血糖電池理念還比較傳統,即利用氧化還原電極和催化劑,或利用降解葡萄糖的酶來提供電子。這類裝置的缺點是有自己的使用壽命,而且還使用不能生物降解的材料。能不能有一種永遠不會磨損的血糖電池呢?

我個人的想法是利用身體本身的細胞來發電。我們都知道的電魚產生的高壓電能輕易電倒一頭牛。細胞發電原理已經研究得很清楚,首先是細胞內部有一套完善的代謝系統,逐步承接糖氧化產生的高能電子,并儲存在高能分子ATP中,然后再用ATP帶動細胞膜上的離子泵積聚化學能(像水壩蓄水),再利用離子通道把化學能變成電能。身體里大部分細胞都有離子泵和離子通道,所以都是小電池,而腦組織里的小膠質細胞不但能發電,而且能不斷再生的,是取之不盡用之不竭的電池。我們需要的只是在芯片上建一些停泊細胞的“采電樁”讓小膠質細胞緊密停靠。采電樁的周圍需要一些蛋白分子防止漏電,即利用組織之間緊密結合的蛋白結構(tight junction),而采電樁本身則需要用另一種導電的蛋白結構(縫隙連接,gap junction)與膠質細胞的膜融合。這兩種蛋白結構都是現成的,被億萬年的生物進化優化過,也是電魚產生高壓電使用的常規零件。我們現在需要的是搞清這些蛋白分子的結構,知道他們連接的具體位點,這樣就可以用芯片上的小化學分子模擬連接的結構,把細胞固定在采電樁上。

當能源問題解決以后,像細菌那樣小的電子線路就可以用來把神經信號變成無線電信號。測量神經電信號的電極可以由自組裝的微米器件構成(圖7A 紅色小球)。因此這種小裝置會有個與神經細胞類似的長長外形(圖7A)。

另外一個科學難題是怎樣把一億個小裝置布置到腦子里?一個仿生的辦法是讓改造后的巨嗜細胞把電路吞吃進去(圖7C),然后讓巨嗜細胞從毛細血管里通過血腦屏障,游走進腦組織再把電路釋放出來。

圖7 微型無線腦機接口 A 構造示意圖。1,電極觸手由自組裝微米顆粒構成;2,無線接口芯片;3 充電樁;4 停泊在充電樁上的小膠質細胞。B 小膠質細胞的照片(綠色)和周圍的神經突起(紅色)。C 血液中的巨嗜細胞,可以經過改造后攜帶微型腦機接口,并通過血液送進腦組織。D 布置在大腦皮層深部的微型無線腦機接口(想象圖),左面圖中深色斑點是腦皮層中的神經細胞。

電極太多是不是內卷?

應該提一下,業內有些人并不認可電極越多越好這種說法,就連上面提到的大神菲爾·肯尼迪也認為可靠連接比數量多更有意義。他們的論點是這樣的:大腦活動的時候雖然有大量神經細胞參與,但大家是協同干同一件事,互相不擰巴。假定用一百個電極去測量,就能基本上明白大腦想干什么,精確率達到90%。那么把電極數量提高十倍,也許精確率會提高到99%,電極數量再提高一萬倍呢?精度達到99．99%。照這么算,有必要為了不到1%的改進而增加99%的費用嗎?是不是有點煤老板受騙的感覺?

但是另一派認為目前的腦機接口只能干些非常簡單的事,要干比較復雜的事,就一定需要與大腦皮層大量神經細胞廣泛互動。比如上面說的用腦機接口看電視就需要很高的通訊速度。另外如用腦機接口代替小腦的功能,就需要用大數量大電極讀取全身許多肌肉的張力,并配合人運動的意向來發出大量運動指令控制不同的肌肉。

腦機接口技術在未來的發展可能完全脫出俗套,需要解決的科學問題遠多于技術問題。科學上的問題比如怎樣讓電極吸引神經突觸,怎樣制造細胞電池的采電樁,怎樣讓芯片從血液里進入腦組織等目前還處在幻想階段。但幻想經常是新技術的動力,腦機接口本身也是來源于科幻小說。

從哲學層面上講,有人認為腦機接口早晚會終結人類文明,其后果甚至遠比核大戰更壞,因為核大戰之后至少還能留下可以進化的原始人,而腦機接口則會讓人類變成螻蟻一般的低級生物。但另一種說法是,人工智能也許不用腦機接口就可以輕易戰勝人類, 讓人類不如螻蟻。而腦機接口的發展相當于給人工智能的文明摻入人類文明的成分, 或讓人類在網絡的云里得到永生。

然而,我們都知道“我思故我在”這句名言,意思是說人的“思想”“意識”和“生存”這些概念都是和“我”這個概念緊密相連的。腦機接口讓“我”融入云端,這樣“我的意識”也就變成了云端的一些運算過程。如此,我將非我,那“我”還存在嗎?