英劇《黑鏡》(Black Mirror)第一季最後一集《你的完整歷史》(The Entire History of You)故事中,絕大部分人類的大腦都植入了某種記憶晶片,這顆晶片用於儲存人類經歷的所有記憶(理論上似乎還需要配合植入人眼的高解析度攝影機,以及解決資料高速傳輸等問題),這樣每個人隨時都可以翻查以前的記憶,甚至反覆調出記憶來確認各種細節。

這套系統聽起來還挺複雜的,實際上光是配合成像和儲存系統的發展,現在的人類科技離劇情中描述的程度都還十分遙遠。而且在《黑鏡》的世界裡,這種科技導致了人類社會的各種問題和矛盾。不過就人腦植入晶片一事,馬斯克(Elon Musk)早在2017年就成立了一家名叫Neuralink的公司。這家公司致力於神經技術研究,開發的產品是傳說中的「腦機介面」(BMI)。通俗地說,就是把人腦和晶片連接起來。

按照Musk的說法,短期內,該公司要解決的是一些人類疾病或醫療相關的問題,而終極目標則是人類增強或者叫超人類主義(transhumanism)。聽起來《黑鏡》拿晶片儲存記憶,在Neuralink面前也不過是一環而已。

前幾天,Elon Musk在加州科學院(California Academy of Sciences)宣佈該公司獲得了一些技術突破,預計明年就要在人類身上就他們的神經元讀取技術做測試了。聽來格外吸睛,好似下一秒駭客帝國和攻殼機動隊就成真了。這項技術研究可能是具有突破性的,但發展進度比你想像得要緩慢很多。

「腦機介面」系統是什麼?

Neuralink開發的這套系統大致是這樣的:將其所開發的某種晶片及配套解決方案,透過一種非常細密排佈的線(thread)連接到大腦上。在Neuralink描繪的概念圖裡,晶片本身會以可穿戴裝置的形式掛在人耳上,並連接至放在腦殼上的感測器,這些感測器再穿透頭蓋骨,透過很多條線連接到大腦皮層。

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這套方案實際要解決的問題非常多,而Neuralink這次宣佈的技術主要著重於採用何種線材、怎麼把這些線「插」進大腦中,以及晶片和軟體該做些什麼。這方面的研究,實際不光是Neuralink在做,過去臨床醫療領域就有不少的嘗試。而Neuralink在做的是讓人機介面技術更具靈活性,例如較過去更增加了連接通道數量和資訊傳輸的精度等。

該系統包含三個組成部分:極為精細的聚合物探針(插到大腦中)、一台神經外科機器人(專負責插線),以及外部的晶片和配套方案(Neuralink稱其為客製化的高密度電子技術)。那麼這種技術究竟有什麼用呢?核心就是「在大腦和機器之間傳輸高傳真的資訊」,作用肯定不是用意念發電或變超人這麼虛幻,典型的應用包括神經義肢控制機械臂以及人工語音合成之類,讓截肢者可以重新走路,讓語言障礙人士能借助外部裝置重新說話——現有的一些研究成果就有這樣的方案。

另外就醫學研究來看,針對大腦的不同位置、不同深度,比如負責語言、視覺、聽覺、運動等部位進行「插線」操作,本身也都是有價值的,對於人體和大腦研究都是重要的技術成果產出。

至於社交網路上渲染的科幻小說級的成果,咱還離得有點兒遙遠。Neuralink高層也表示在正式商業化服務之前,「還有很長的路要走」。bioRxiv最近加入了兩篇來自Neuralink的技術文獻,其中著重強調了這項技術在臨床疾病方面的作用。

其技術突破體現在很多方面,比如說以前的同類技術,植入可能都不超過256個電極,而Neuralink彙報自家技術現在能夠做到快速給大腦植入96根線,每根線都有32個電極,在大腦4x7mm²的區域內植入總共3072個電極;還有接取至大腦的「連接線」在探針材料和鍍膜方面更適用於腦組織;以及專門負責植入手術的「縫紉機」機器人採用了電腦視覺方案,可按照不同需求來進行大腦不同區域的植入工作。

另外還有更受關注的「客製高密度電子技術」,實際上就是將電生理資料以較高的頻寬、更低的延遲,從所有的這些電極同步傳輸到外部,Neuralink專門設計了AISC提供彈性化的支援,另外還涉及到峰值電位檢測軟體等。

鑒於Musk近年在登陸火星、航太技術、衛星與自動駕駛等諸多領域的表現,Neuralink如果真的要實現「強化人」的目標,轉念一動就完成各種操作,可靠性大概還是值得再觀察一下的。

已經連接實驗鼠的大腦,還有個USB介面

在已經發表的論文中,Neuralink展示了現有成果應用到一隻實驗鼠身上,下圖右的實驗鼠頭上有個USB-C埠,3072個電極也就有3072個通道傳輸(似乎在實驗中嘗試植入44根線,但只成功了40根,也就是實際成功插入這只實驗鼠腦中的總共應該是1,280個電極),不知道這個USB介面的具體傳輸規格如何。左邊這張圖是手術期的一張照片,展示這只實驗鼠腦皮層表面植入的線。

20190723_BMI_NT62P2 這是一隻Long-Evans鼠,Neuralink在論文中強調他們的實驗完全符合《實驗室動物關懷與使用指導原則》

我們首先來瞭解USB介面部分。實際上從外部能夠看到的USB介面,直接就連接著一套電子相關的解決方案,即介面下方的部分——這部分肯定不需要植入大腦內部,未來如果真的應用於人腦理論上也不會是這種形態。所以它本質上是個實驗室產品,其完全體是下面這樣的:

20190723_BMI_NT62P3 A為可處理256個資料通道的ASIC,總共有12個ASIC,一共處理3,072個通道;B是聚合物線,只不過這裡放在parylene-c基板上,在這些線插入大腦以前需要這層膜;C為鈦金屬材料的週邊;D是數位USB-C連接器

電極(electrode sites)就將大腦訊號傳輸到這個模組上。這個模組設計的難點包含了多個方面,一部分是因為它需要長期進行資料記錄,所以就連封裝也有較高的要求。考慮到記錄通道眾多,這就要求訊號放大、數位堆疊整合到同一個陣列上。這個模組的工作包含了放大神經訊號(< 10 µVrms),同時過濾帶外雜訊,將放大的訊號進行採樣和數位化,並進行即時處理。由於是穿戴的,所以功耗和尺寸也都必須要小。

模組用到了Neuralink客製的ASIC,一個ASIC上包括了256個可程式的放大器,還有片上ADC (取樣速率19.3kHz, 10bit)以及週邊控制電路(實現數位訊號輸出)。每個類比畫素(analog pixel)功耗約5.2μW,整個ASIC功耗大約為6mW。目前這個展示的產品中一共是12個ASIC,採用覆晶方式整合到PCB板上。

這套系統中還包含了FPGA、即時的溫度計、加速計、磁強計,以及前面用於電源和資料傳輸的USB-C連接器。這些都裝載到一個鈦金屬底座上,另外外層包裹了parylene-c,作為防潮層存在,畢竟是需要長期佩戴的。Neuralink還做了兩種傳輸方案,包括不同的通行傳輸特性。

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在資料傳出到外部(比如外部電腦)以後,後續的解決方案會將資料流轉為10G乙太網路UDP包,直接即時進行資料的視覺化,或者是寫到儲存系統中。這部分其實也要求Neuralink自己再做一套用於訊號檢測和呈現的軟體生態。上面這張圖展示的就是從插入實驗鼠腦中的一根線(如前所述的32個通道)獲取到的神經訊號(未過濾的)。

線與縫紉機

實際上,就Neuralink的技術來說,上面的晶片相關部分算不上是重點。真正的重點在於前端連接大腦皮層的部分,也就是「連接線」和植入線的那台機器——在Neuralink的論文中,這台機器被比喻為「縫紉機」。感覺就像有個縫紉機將這些線「縫」進你的大腦一樣,聽著都很驚人,所以才稱得上植入式的科技裝置,也特別符合Elon Musk的風格。

先來說說連接所用的「線材」和接頭。據說Neuralink專門開發了生產神經探針的生產製程,需要用到某種高吞吐的生產設備來實現「晶圓級的微生產製程」。這樣一來,探針在插入到大腦以後可以確保很小的位移。其上用了多種具備生物相容性的薄膜(thin film)材料。主要的基質和電介質材料為聚醯亞胺(就是近期日本宣佈禁止對韓國出口的一種半導體原材料)。每個薄膜陣列包含了兩部分,分別是「線」區,和「感測」區。線區很容易理解,就是電極觸點;感測區則是連接前文提到晶片的部分了。

這裡所謂的薄膜「陣列」,每個陣列實際就包含了48或者96根線,每根線又有32個獨立的電極。這麼做是為了讓線的截面足夠小,這樣一來也就讓大腦組織的位移最小化了。其間需要用到步進式微影(stepper lithography)和其他微生產製程,這樣通道數量才會比較密集。

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Neuralink設計和生產了超過20種不同類型的線和電極,寬度從5μm到50μm不等,厚度一般為4-6μm——包含了三層絕緣層和兩層導通層,長度大約為20mm。上面展示的是其中兩種。每根線頂端是16x50μm²的一個圈,這是為了讓「縫紉機」針頭「引線」的。另外還有針對較小的幾何表面積,增加有效電荷負載能力,採用PEDOT:PSS和氧化銥也都是個中生產的細節。

實際上微型探針技術並不新鮮,只不過為了較高的生物相容性、安全性和長期持續性,大部分方案的探針陣列都會用剛性金屬。剛性金屬陣列是為了直接穿刺到大腦內。不過這樣一來,探針和腦組織的抗彎曲剛度、彈性模量無法匹配,可能會導致免疫反應——這就會限制方案的可持續性和功能。而且這類技術的插入陣列幾何形狀是相對固定的,這樣的話就會限制神經元數量的存取,而且還需要考慮到大腦中的血管分佈。

那麼Neuralink的這種「軟性」線又怎麼直接插到大腦裡面?顯然它不夠硬,所以就需要有個專門負責插線的裝置來做這件事。這也是Neuralink開發「縫紉機」的原因。有關「縫紉機」本體,也就是所謂的神經外科機器人,這部分應該是Neuralink的核心技能,所以Neuralink專門用一篇論文來描述這台設備。

20190723_BMI_NT62P6 「縫紉機」機器人本尊

這台外科手術機器人的一個重要優勢在於效率高,就是「縫紉」速度比較快,每分鐘可以植入6根線,每根線的精度也是微米級別的。

頭部位置實際能夠達到的精度為10μm,三軸範圍內達到的運動行程在400x400x150mm內,負責插線工作的部分實際包含了一個插針(needle)和一個折疊的裝置(pincher)。插針直徑從40μm到24μm不等。Pincher則是一個50μm的鎢絲——頂部位置彎曲。Pincher的作用是在傳遞過程中為為探針提供支援,另外也確保線會沿著探針路徑插入。

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這台機器人的核心技術在於,頭部位置有一個成像系統,引導插針進到線材頭部的環中,還有目標確認等作用。頭部包含了6個獨立的光模組,分別都能獨立發出405nm、525nm和650nm或白光,這些都是用於插針各種微米級定位操作的。還有集成的軟體能夠規劃插入路徑,並且確保線不會糾纏或者過緊。全套的這種電腦視覺系統,還能避開大腦表面的血管,把線插進。

另外就是不僅支持自動化操作,而且也可以由醫生來全手動操作進行微調。從資料來看,Neuralink總共用它執行了19次手術操作,植入成功率在87.1±12.6%,好像問題還比較大。

即將應用到人類身上?

前面看到的只是針對實驗鼠的一套解決方案,未來如果真正應用到人腦,接線數量和處理運算能力預計還將增加。Neuralink表示,目前採用USB埠連接外部系統的方式未來會改為無線通訊;此外外科手術需要在頭蓋骨上鑽孔,這會讓人感覺到不爽,未來期望能用雷射光束穿透頭蓋骨,只打小孔。

20190723_BMI_NT62P8 傳說中透過iPhone遠端控制

不管前面這些你有沒有看明白,至少從原理上來看,Neuralink的腦機介面技術在這樣的分析過後就已經不神秘了,也沒那麼虛幻。畢竟目前的技術階段還比較低層級,即便只考慮將其應用於醫療,也有不少需要解決的問題。

索爾科生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)教授Terry Sejnowski表示,Neuralink柔性線很有價值,但研究人員需要證明這種線材在大腦環境中的耐久性。另外很多學者都認為,Neuralink的研究論文缺乏一些關鍵資料。Neuralink方面則表示正在進行相關實驗,但暫時不會公佈包括長期使用穩定性在內的資料。

Musk宣稱計畫明年二季將技術放到人體進行實驗,當然他們還需要獲得FDA批准。但有部分科學家表示實驗室針對動物的研究結果很可能無法成功轉移到人身上。霍華德休斯醫學研究所(Howard Hughes Medical Institute)資深研究員Tim Harris說:「如果這項技術要用到人身上,至少再等個5年。這個複雜程度的植入手術,一兩年是不夠的。」

至於將腦機介面技術應用到人體增強,比如意念控制,意念資料傳輸以及直接將外部數位訊號轉進大腦中,甚至實現黑鏡那樣的科幻效果,尚且不說人類的技術實力還差得很遠;僅是倫理學,就可能不允許這樣的研究方向。

中山大學人機互連實驗室教授翟振明與和美國量子物理學家Henry Stapp前兩年就人類「自我意識」達成過一個共識,即人類之所以存在自我意識,是因為人類接受外部認知資訊,依靠的是自然感官(如眼睛、鼻子),這是一種間接的資訊獲取方式,而不是直接往大腦輸入控制訊號。這是人與機器的最大區別,也是人類個體維繫主體地位的基礎。而Musk往人腦直接輸入控制訊號的想法,本質上會導致人類自我意識的坍塌,主體地位不復存在。

另外從資訊安全的角度來說,尚且不說腦機介面讓人腦有了直接接觸數位病毒的可能性;植入式IoT裝置發生安全問題以後,修復所需的成本將是很多人和企業無力承擔的,畢竟召回汽車、電腦、手機是易事——那都是有錢就能解決的,但召回一個已經植入人體的數位硬體,問題就比較大了。