英劇《黑鏡》第一季最后一集《你的全部歷史》故事中，絕大部分人類的大腦都植入了某種記憶芯片，這顆芯片用于存儲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清攝像頭，以及解決數據高速傳輸等問題），這樣每個人隨時都可以翻查以前的記憶，甚至反復調出記憶來確認各種細節。
這套系統聽起來還挺復雜的，實際光是配合成像和存儲系統的發展，現在的人類科技離劇情中描述的程度都還十分遙遠。而且在黑鏡的世界里，這種科技導致了人類社會的各種問題和矛盾。不過就人腦植入芯片一事，Elon Musk早在2017年就成立了一個名叫Neuralink的公司。這家公司致力于神經技術研究，開發的產品相關傳說中的BMI腦機接口。通俗地說，就是把人腦和芯片連接起來。
按照Musk本人的說法，短期內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）。聽起來黑鏡拿芯片存儲記憶，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）做了個簡單的匯報，宣布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。聽來格外抓眼球，好似下一秒黑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，但發展進度比你想象得要緩慢很多。
這套系統的大致情況是這樣的：Neuralink開發了某種芯片及配套解決方案，通過一種非常細且密集排布的線（thread）連接到大腦上。在Neuralink描繪的概念圖里，芯片本身會以可穿戴設備的形式掛在人耳上。這顆芯片會連接至一些傳感器——傳感器就放在腦殼上，這些傳感器再穿透頭蓋骨，通過很多條線連接到大腦皮層。
這套方案實際要解決的問題是非常多的，而Neuralink這次宣布的技術主要集中在到底用何種線材，怎么把這些線“插”進大腦中去，以及芯片和軟件大致該做些什么。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在做的是讓人機接口技術更具靈活性，比如相比過去，增加連接通道數量和信息傳輸的精度等。
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），一臺神經外科機器人（專負責插線），以及外部的芯片和配套方案（Neuralink稱其為定制化的高密度電子技術）。那么這種技術究竟有什么用呢？核心就是“在大腦和機器之間傳輸高保真的信息”，作用肯定不是用意念發電或變超人這么玄幻，典型的比如說神經義肢控制機械臂，還有人工語音合成之類，讓截肢者可以重新走路，讓語言障礙人士能借助外部設備重新說話——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，對于人體和大腦研究都是重要的技術成果產出。
至于社交網絡上渲染的科幻小說級別的成果，咱還離得有點兒遙遠。Neuralink高層也表示在正式提供商業化服務之前，“還有很長的路要走”。bioRxiv最近加入了兩篇來自Neuralink的技術paper，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匯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；還有接入大腦的“連接線”在探針材料和鍍膜方面更適用于腦組織；以及專門負責植入手術的“縫紉機”機器人采用了計算機視覺方案，可按照不同需求來進行大腦不同區域的植入工作。
另外還有我們比較關注的“定制的高密度電子技術”，實際上就是將電生理數據以較高的帶寬、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提供彈性化的支持，另外還涉及到峰值電位檢測軟件等。
鑒于Musk同學近年在登陸火星、航天技術、發衛星、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。
在已經發表的paper中，Neuralink演示了現有成果應用到一只實驗鼠身上，下圖右邊的這只實驗鼠頭上有個USB-C口，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1280個電極），不知道這個USB接口的具體傳輸規格如何。左邊這張圖就比較恐怖了，是圍手術期的一張照片，展示了這只實驗鼠腦皮層表面，其上植入的這些線。
這是一只Long-Evans鼠，Neuralink在paper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》
我們首先來了解一下這個USB接口部分。實際上從外部能夠看到的USB接口，直接就連接著一套電子相關的解決方案，即接口下方的部分——這部分肯定不需要植入到大腦內部，未來如果真的應用于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：
A為可處理256個數據通道的ASIC，總共有12個ASIC，一共處理3072個通道；B就是聚合物線了，只不過這里放在了parylene-c基板上，在這些線插入大腦以前需要這層膜；C為鈦金屬材料的外圍；D是數字USB-C連接器
電極（electrode sites）就將大腦信號傳輸到這個模塊上。這個模塊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數據記錄，所以就連封裝也有較高的要求?？紤]到記錄通道眾多，這就要求信號放大、數字堆棧整合到同一個陣列上。這個模塊的工作包含了放大神經信號（<10 μVrms），同時過濾帶外噪聲，將放大的信號進行采樣和數字化，并進行實時處理。由于是穿戴的，所以功耗和尺寸也都必須要小。
模塊用到了Neuralink定制的ASIC，一個ASIC上包括了256個可編程放大器（稱之為analog pixel模擬像素，這部分的設計難點包括電生理環境存在較多變量，所以它具備了較大的程度的可配置性），還有片上ADC（采樣率19.3kHz, 10bit），以及外圍控制電路（實現數字信號輸出）。每個analog pixel功耗5.2μW，整個ASIC功耗就是大約6mW。目前這個演示的產品中一共是12個ASIC，采用倒裝的方式集成到PCB板上。
實際這套系統中還包含了FPGA、實時的溫度計、加速計、磁強計，以及前面用于電源和數據傳輸的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。傳輸方案Neuralink做了兩種，包括不同的通行傳輸特性，這里鑒于篇幅的關系就不再贅述了，有興趣的可以查看本文文末給出的參考鏈接。
在數據傳出到外部（比如外部計算機）以后，后續的解決方案會將數據流轉為10G以太網UDP包，直接實時進行數據的可視化，或者是寫到存儲系統中。這部分其實也要求Neuralink自己再做一套用于信號檢測和呈現的軟件生態。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）獲取到的神經信號（未過濾的）。
實際上，就Neuralink的技術來說，上面的芯片相關部分算不上是重點。真正的重點在于前端連接大腦皮層的部分，也就是“連接線”和植入線的那臺機器——在Neuralink的paper中，這臺機器被比喻為“縫紉機”。感覺就像有個縫紉機將這些線“縫”進你的大腦一樣，聽著都很瘆人，所以才稱得上植入式的科技裝備，也特別符合Elon Musk散發的氣質。
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工藝，需要用到某種高吞吐的生產設備來實現“晶圓級別的微生產工藝”。這樣一來，探針在插入到大腦以后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酰亞胺（就是近期日本宣布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“傳感”區。線區很容易理解，就是電極觸點；傳感區則是連接前文提到芯片的部分了。
這里所謂的薄膜“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。這么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光刻（stepper lithography）和其他微生產工藝，這樣通道數量才會比較密集。
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，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，采用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并不新鮮，只不過為了較高的生物兼容性、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訪問，而且還需要考慮到大腦中的血管分布。
那么Neuralink的這種“柔性”線又怎么直接插到大腦里面呢？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paper來描述這臺設備。
“縫紉機”機器人本尊
這臺外科手術機器人的一個重要優勢在于效率比較高，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，三軸范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持，另外也確保線會沿著探針路徑插入。
這臺機器人的核心技術在于，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個獨立的光模塊，分別都能獨立發出405nm、525nm和650nm或白光，這些都是用于插針各種微米級定位操作的。
還有集成的軟件能夠規劃插入路徑，并且確保線不會糾纏或者過緊。全套的這種計算機視覺系統，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。從數據來看，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。
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，接線數量和處理算力預計還將增加。Neuralink表示，目前采用USB口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鉆孔，這會讓人感覺到不爽，未來期望能用激光束穿透頭蓋骨，只打小孔。這是對技術的一些展望。
傳說中通過iPhone來遠程控制
不管前面這些你有沒有看明白，至少從原理上來看，Neuralink的腦機接口技術在這樣的分析過后就已經不神秘了，也沒那么玄幻。畢竟目前的技術階段還比較低層級，即便只考慮將其應用于醫療，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paper缺乏一些關鍵數據。Neuralink方面則表示正在進行相關實驗，但暫時不會公布包括長期使用穩定性在內的數據。
Musk宣稱計劃明年二季度將技術放到人體進行實驗，當然他們還需要獲得FDA批準。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）高級研究員Tim Harris說：“如果這項技術要用到人身上，至少再等個5年。這個復雜程度的植入手術，一兩年是不夠的。”
至于Musk和很多人暢想中，腦機接口技術應用到人體增強，比如意念控制，意念數據傳輸以及直接將外部數字信號轉進大腦中，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。
中山大學人機互聯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信息，依靠的是自然感官（比如眼睛、鼻子），這是一種間接的信息獲取方式，而不是直接往大腦輸入控制信號。這是人與機器的最大區別，也是人類個體維系主體地位的基礎。而Musk往人腦直接輸入控制信號的想法，本質上會導致人類自我意識的坍塌，主體地位不復存在。
另外從信息安全的角度來說，尚且不說腦機接口讓人腦有了直接接觸數字病毒的可能性；植入式IoT設備發生安全問題以后，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字硬件，問題就比較大了。
參考來源
Neuralink – Wikipedia（https://en.wikipedia.org/wiki/Neuralink）
An integrated brain-machine interface platform with thousands of
channels - bioRxiv（https://www.biorxiv.org/content/10.1101/703801v1）
The “sewing machine” for minimally invasive neural recording - bioRxiv（https://www.biorxiv.org/content/10.1101/578542v1）
Elon Musk’s Neuralink Shows Off Advances to Brain-Computer Interface -
WSJ（https://www.wsj.com/articles/elon-musks-neuralink-advances-brain-computer-interface-11563334987）
Elon Musk’s Neuralink Wants ‘Sewing Machine-Like’ Robots to Wire Brains
to the Internet -
NYTimes（https://www.nytimes.com/2019/07/16/technology/neuralink-elon-musk.html）
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