美国防部投资6500万美元启动脑机接口计划，原型产品四年后推出
美国国防高级研究计划局（DARPA）开始了其“神经工程系统设计计划”（Neural Engineering Systems Design，简称NESD），正式进入脑机接口领域。而该计划的目标是——制造能够连接一百万个神经元的高保真度大脑植入芯片。
DARPA于美国当地时间本周一宣布，NESD计划将耗资6500万美元，同时集结脑机接口领域最精干的研发力量。本计划的参与方包括五家科研机构及一家公司，分别为：布朗大学、哥伦比亚大学、约翰皮尔斯实验室、加州大学伯克利分校、法国视觉研究所，以及初创公司Paradromics。
脑机接口的概念确实已不是什么新闻，但在这个人工智能大行其道的年代，把人脑和计算机结合起来的想法总是能引起人们的关注。自上世纪人类发现脑电波活动开始，就一直在想象并尝试通过大脑电信号来控制电子设备。
而且，随着研究的不断深入，对脑机接口的研究早已不是让猴子控制机械臂那么简单了。目前世界上最好的脑机接口应用在一名叫 Erik Sorto 的瘫痪病人身上。他于2013年接受手术，将几百个神经元连接在芯片上控制机器臂为他料理生活。
几百个神经元已经对瘫痪病人意义重大了，若是将芯片连接到一百万个神经元上，就能以更丰富的信号控制更多的外部设备，比如键盘鼠标、轮椅，甚至机器人。
但DARPA的目标可远远不止控制外部设备这么简单——它们的技术方向有两个：芯片不仅要能够记录脑信号，还要能够将电子信号逆向反馈至神经元中。这样一来，就算是失明者和失聪者也能通过神经芯片重获光明、恢复听觉了。
而DARPA在周一的发布会上表示，一百万个神经元其实还只是个开始。
“一百万个神经元是人脑中860亿个神经元中的沧海一粟。神经系统的复杂性远远超乎我们的想象，”项目负责人Phillip Alvelda表示，“但如果我们成功地将丰富的感应信号传回脑中，我们的项目将为新的神经治疗方法奠定基础。”
NESD计划的参与方之一，硅谷初创公司Paradromics的CEO Matt Angle表示，该公司正研制一种叫做“神经输入输出总线”（Neural Input-Output Bus, NIOB）的微型电极束。每个电极会与多个神经元连接，而总共包含20万个微型电极的四个电极束可以连接一百万个神经元。
图丨NIOB微电极束放大图
“微型电极从上世纪五十年代就开始应用了，但它们过去是无法集成的，”Angle表示。“按照现有的技术，每个微电路都要连接一个放大器，所以如果你要用十万个微电路，工作量就会无比庞大。”
但Paradromics公司解决了这一问题。通过精细打磨，微电极束的头部变得无比光滑，并被直接连接到一个CMOS放大器阵列上。“我们保证每一个微电路都最大可能地与CMOS面板接触，”Angle解释道。“但如果有几个点没有碰到面板，也不会造成太大影响。”
如往常一样，DARPA对技术开发的里程碑也做了设定。在NESD计划的第四年，Paradromics必须要完成感知系统修复疗法的原型。
而Paradromics的任务则是完成患者的语言能力恢复。NIOB装置将会从脑中的颞上回区域接收信号，该区域主要负责将听觉信号处理至音位级别（音位是能够区别意义的最小语音单位），而大脑的其他部分则负责高级的语义分析。
图丨由微型电极组成的微电路，每个微型电极的直径仅为20微米
该公司的灵感源于加州大学伯克利分校的神经科学家Robert Knight教授的研究。Robert Knight表明，在人们自言自语时，其脑中颞上回区域的电信号能被提取出来重建语句本身。也就是说，使用者能够通过想象说话的过程，并经过脑机接口来控制语音合成装置来说话。
虽然Paradromics选择语义分析最为其首要目标，其硬件却可以用于多种神经应用。只需要改变芯片植入的位置和解码软件的种类就能实现功能切换。
然而，Paradromics面前仍存挑战。Angle设计了一系列的植入芯片，每个芯片上都有五万个微电路，这些电路将把信号传输至头皮之下、头骨之上的一个中央传送器中。为了提升系统的效率，植入系统本身也会分担一下处理任务。“你必须要在体内就做出传输什么信号的决策，”Angle说，“因为你不可能让系统每秒解码并传输50G数据。”
图丨脑植入芯片
所以，中央传送器在无线条件下将数据传输至头皮表层的一个贴片中，也必须以同样的方式以贴片为基础进行无线充电。
反观另一边，NESD计划的其他五个合作伙伴也在视觉、语言、触觉方面进行研究。
神经工程师Arto Nurmikko领导下的布朗大学的团队，正计划使用多个独立的、谷粒一样大小的“neurograins”（神经谷粒），将其置于大脑表层并与独立的神经元交互，最后将数据传输至随身携带或是植入皮肤内的一个贴片中。
图丨布朗大学的Neurograins网络
在一份邮件中Nurmikko表示，他的团队正在研究如何植入neurograins、如何保证这些电子元件的密封性和安全性，以及如何处理传输的大量数据。而最大的挑战是，如何搭建一个由一万个neurograins组成的通讯网络，并使其传输有价值的数据。
“即使有着十万个neurograins，我们也不能连接每个神经元，然而那并不是我们的目标。”Nurmikko写到，“我们想要聆听大量神经元活动，由此理解大脑的计算过程，比如说听觉皮层是如何解析语言和音乐的。”
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