马斯克的天才脑机接口计划

两年前，即：2019年7月17日，马斯克与其旗下神经技术公司Neuralink宣布，已实现神经外科机器人将直径几微米的“thread”（“线”状探针）植入实验鼠脑部，通过定制芯与外部设备通讯。 该项目基于ASIC、运放、ADC、FPGA等技术手段实现，已成功实现多通道同步读取、放大脑信号并传输处理。

以往的研究已经可以实现神经假体控制电脑鼠标、机械臂等，但是这些研究使用的 电极数量没有超过256个，这些电极数量有限，并且只放在大脑皮层，难以记录数以万计的神经元活动信息。

并且，很多植入大脑的电极是刚性材料，比如金属或者半导体，而Neuralink报道其使用的是 柔性的聚合物探针， 有助于缓解免疫反应，减小脑组织损伤。

为了让柔性探针更容易植入大脑， 该研究团队还开发了一套完整的外科手术机器人，可以实现每分钟植入6条“线”状探针， 每条有32个电极（electrode contacts），即每分钟可以植入大约192个电极。

金电极材料使用结构简单、能隙小、电导率高聚合物PEDOT和IrOx（氧化铱）来降低电生理学的阻抗，增加表面有效电荷承载能力，PEOT阻抗低，但是长期的稳定性和生物相容性却不如IrOx。

这些线状探针的主基板和介质是聚酰亚胺，上面有金薄膜线。 研究团队设计了薄膜阵列，每个阵列包含了“线”状探针区和“sensor”传感器区， “线”用来采集原始信号，“sensor”区域集成了信号放大和ADC模块。

研究团队使用了晶圆级的加工工艺，一个wafer晶圆上有10个薄膜设备，而每个薄膜设备具有3072个电极。 这些“线”以 (16 × 50) 平方微米的环结束，以适应针穿线。 下图中每条“线”具有32个电极。

这种高密度通道微弱信号采集（ 3072通道@<10µVRMS ）， 需要把放大器和数字化模块集成到薄膜阵列，否则对连接器和线缆要求将会非常严格。

研究团队设计的系统使用了 12个ASIC，每个ASIC包括256个独立的可编程放大器，每一个被称为模拟像素，集成片上ADC、接口控制电路，放大器（模拟像素)可以高自由度配置，可以校准增益和修改滤波器属性，adc采样率19.3Khz@10bit，每个像素功耗为5.2uW，ASIC功耗大约6mW。

这些ASIC组成的系统中还包含一个FPGA，实时的温度、加速度和磁场检测传感器，使用USB C接口进行有线数据传输， 整个系统被包装在钛金属外壳中，并涂有派瑞林 C来防潮层并延长使用寿命。

连接以太网的基站将来自这些systems的数据流转换为 10G  UDP 数据包，允许下游用户以多种方式处理数据，例如实时可视化数据、存储等功能。

然而这些“线”状探针，又软又细，为了便于安装以及减小出血，降低免疫反应，研究团队还设计并制作了专用外科机器人。 机器人上的needle纫针由线性马达驱动，插入速度可调，可快速拔出，可以让纫针与线状探针迅速分离。 pincher夹钳是50um的钨丝，在尖端被弯曲，可以水平和旋转移动，用来支撑和 引导穿针引线。

inserter head植入机头有6个独立的光线模块，每个都能够用 405 nm、525 nm 和 650 nm 或白光独立照明。405 nm 照明激发来自“线”主基板聚酰亚胺的荧光，定位 “线”上(16 × 50) 平方微米的螺纹环。用 525 nm 光照射可以精确估计皮质表面的位置。

机器人将插入部位注册到头骨上公共坐标系，当与深度跟踪相结合时，可以精确定位大脑结构信息。该系统可以预先选择所有插入位置，从而能够规划、优化插入路径，以最大程度地减少线的缠结和应变，尽可能避免血管出血。 机器人具有自动插入功能，每秒插入6条“线”（192 个电极）， 插入成功率：87.1 ± 12.6 %，并且兼容无菌罩，可以超生清洁纫针。

同时，也可以人工干预 机 器 人 微调插入精度，避免微出血，微调后插入速度略降低，每分钟大约29.6条“线”。下图是植入机器人把“thread”插入“琼脂果冻”的过程。

为了让实验鼠自由活动，研究团队使用了换向电缆，并用在线检测算法实时处理数字信号来识别尖峰动作。

该设备是马斯克实现其脑机接口梦想的初号机，后续可以拓展到人体实验，实现脑信号的读取甚至是双向通讯， 21世纪，是脑科学的世纪。 在不久的将来，脑科学又会带来哪些震惊世界的突破呢？让我们拭目以待