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本期我们共探Neuralink侵入式脑机接口的发展路径与展望。
本文导览：脑机接口发展背景；
NeuraLink业务及发展介绍——发展历程、四大技术突破介绍、历史发展阶段与未来进程、应用领域；
Alpha观点。
脑机接口发展背景
“Neo仰身躲避枪击子弹，人们被集体‘脑后插管’，活在由程序编写的虚拟世界里，还以为一切都在现实发生…”这是电影《黑客帝国》里的经典片段，早在1999年，《黑客帝国》就在全世界影迷的脑海里植入了“脑机接口”的最初想象。硬件技术的不断革新孕育着人机交互方式的不断演变。从电脑到手机移动设备，再到如今蓬勃发展的AR/VR，而脑机接口即将成为继VR/AR后最新一代也可能是最终极的人机交互方式。
脑机接口，全称为brain-computer interfaces。简单来讲，就是将大脑与外部设备之间的连接，实现脑与设备的信息交换。脑机接口的研究可以追溯至二十世纪七十年代，经过近五十年的研究，脑机接口技术的发展经历了三个阶段：科学幻想阶段、科学论证阶段、技术爆发阶段。目前，脑机接口技术正处于第三个阶段——技术爆发阶段。NeuraLink业务及发展介绍
时至今日，潘多拉的魔盒已经打开，《黑客帝国》中的“脑后插管”情节也不再是天方夜谭，脑机接口也正慢慢变为现实。
总有人身先士卒，率先踏入这片领域。Elon Musk在创立Tesla、SpaceX、OpenAI之后，他又一次地站在脑科学的风口之上，正式进军侵入式脑机接口行业。2016年，Neuralink公司在美国成立，Musk聚集了包含生物学家、工程学家以及人工智能学家等不同领域的8位创始人，开始了空前的侵入式脑机接口研究。尽管Musk一直扬言自己并不需要主动外部募资，但他的公司却被资本界一致看好，并在2017年8月公布了其首次融资，通过华尔街报道，Neuralink也第一次进入了公众视野。（图片来源：Neuralink的2019年第一次发布会的开场画面）在公司发展早期，Neuralink并未向外发布产品和技术信息，但是团队却已经在紧凑地打磨着产品，摸索着独有的技术路径。在2019年7月和2020年8月，Neuralink如期进行两场全球发布会，一方面团队公布了产品的迭代更新情况以及相应的动物实验进展；另一方面，正如Musk所言，发布会最大的目的其实是为了招聘，Neuralink仍然希望继续集结全球顶尖的跨领域团队，继续走在行业的最前沿。如今，在经历了高强度的产品研发与密集的动物验证后，Neuralink一次次地实现了业界的突破，目前正在等待FDA的伦理批复，计划年内进入临床实验阶段，加快商业化进程。在业内已经有较多成功的临床初步探索之后，如何能够提升改进现有技术，让脑机接口能够真正地走向市场？Neuralink在技术路径上给出了自己的答案。Neuralink现有脑机接口产品（名为Link）的应用过程清晰简洁：通过自动外科手术机器人（Robot）将Link以开颅的方式植入大脑内部，然后Link通过蓝牙将处理后的神经信息传递，并与外部设备（Neuralink-App）相连，进而做出打字、移动等反应，最终实现用思考去操作外设的效果。
（图片来源：Neuralink产品发布会-植入物Link的图片示意）新一代脑机接口技术的核心技术突破可以被概括为四大方面：这是来自于来自美国国家实验室的Vanessa Tolosa研发的单根多触点柔性电极。这些“线”放置在神经元周围，用于收集和刺激神经信号。根据最新的信息公布，当前的（称为 0.9 版）“线”尺寸为 23 毫米 x 8 毫米，并附有 1024 个电极。相比于其他现有的技术，如犹他电极（Utah array）和神经像素（Neuropixel）等，在尺寸比例和附着电极数量上都得到了极大程度的提升。同时，作为柔性材料制成的“线”，在颅内能够很大程度地减少由于电极与大脑组织发生相对运动产生的脑组织损伤，这也弥补了现有其他材质的缺陷。
（图片来源：Neuralink产品发布会-Thread接种在大脑皮层周围）
正如前文所述，Link上的“线”十分精细，以至于难以通过普通手术人工插入。于是，一个机器人系统应运而生，神经外科医生可以使用该系统将这些线准确有效地插入到它们需要的位置。机器人运作起来就如缝纫机一般，可以通过单个8毫米颅骨开口精确有效地插入许多螺纹，同时避免大脑表面的血管。提升手术安全度的同时也大大缩短了手术时间。
（图片来源：Neuralink产品发布会-对猴子进行植入手术的现场工作图）
当“线”收集到神经信号之后，Link中的处理芯片就需要将每个电极记录的微小电信号转化为实时的神经信息。由于大脑中的神经信号很小（微伏），Link必须有高性能的信号放大器和数字化仪。此外，随着电极数量的增加，这些原始数字信号变得过多，无法通过低功率设备上传，因此Neuralink进一步扩展的设备需要在芯片上实时识别和表征神经尖峰。处理芯片能够更好的保证神经信号的实时性，以便于外设在更短的时间差内做出反应。
（图片来源：Neuralink产品发布会-图中包含了处理芯片和无线充电装置两部分）
为了对神经信息解码以使用它来控制外部设备，Neuralink设计出了相应的计算机算法，通过数百个神经元的活动控制虚拟计算机鼠标。同时为了使用额外的信息来进行更精确和自然的控制，Neuralink也正在设计自适应算法，以保持可靠和稳健的性能，同时随着时间的推移不断改进。Neuralink在柔性电极、无线传输、自动化手术、算法设计等方面上都做到了业内领先水平，这为它筑造起了极高的技术壁垒。同时作为一个极有市场和商业化经验的管理团队,产品不断被标准化设计，依靠着Musk体系下极具优势的供应链，成本也会进一步降低（Musk在发布会上表示将会降低到1000美元每人次），这让产品的商业化得到了实质性的进展。经历了近6年发展，Neuralink在多次的动物实验中对产品进行了验证与改进。2019年的发布会上，Neuralink公布了老鼠实验进展与第一代有线产品（利用USB实现数据传输），实验中老鼠的神经信号被有效地记录并显示出来。这是最初期产品的探索。初期的老鼠实验被用来测试产品的稳定性，并不断依据接口反馈改进。（图片来源：Neuralink产品发布会-小鼠实验图片，头上为USB端口的有线产品）
在2020年的发布会上，Neuralink公布了小猪实验进展，并展示了芯片如何能够准确预测小猪在跑步机上行走时四肢的位置，以及记录小猪嗅探食物时的神经活动。距离发布会展开的时间，这只猪已经在头骨中嵌入了芯片两个月之久。
（图片来源：Neuralink产品发布会-小猪实验展示与起神经信号显示意图）
2021年，Neuralink在推特上首次发布了猴子实验进展，在画面中，名叫 Pager 的猕猴通过玩电子游戏以获得香蕉奶昔奖励，这也就意味着猴子用大脑意识便能控制小球的移动。这让他在2019年的发布会上的预言再一次成真。
（图片来源：Neuralink产品发布会-猴子的游戏实验示意图）
在密集的动物实验对产品进行不断验证后，2022年预计也将会进入临床试验阶段，目前还在等待FDA的伦理批复，临床试验的开展将进一步加快产品走向市场的可能。当马斯克的团队最终走向市场的时候，最先受益的将是那些患有帕金森、阿尔兹海默症、或是由肢体残疾的患者，脑机接口能够帮助他们控制外部设备，以再次拥有打字、移动等与外界交互的能力。在未来，人工智能也会加入脑机接口的研究之中，Musk曾经说到Neuralink的最终目标是创建一个能够更紧密地连接生物和人工智能的全脑接口。脑机接口作为新一代的人机交互方式，未来的使用者将不只是那些残疾的患者人群，而是能够让普通人群体也具有更丰富而强大的能力，大幅提高人类感官和反应速度、提高人类的信息获取和传输效率，超越人体自身机能。这种“强大”可能是让残障人士恢复正常，也可能是超级人类，甚至可能是永生。
（图片来源：WaitButWhy-Musk探讨在脑机接口应用中的AI的未来）
拥有860亿个神经元的人类大脑是宇宙中已知的最复杂的事物。它是负责人类行为、记忆和感知的器官，就连最神秘的意识也产生于大脑中。脑机接口目前主要分为非侵入式与侵入式两条技术路线。非植入式脑机接口不依赖于外科手术、具有良好的生物安全性以及可操作性。但同时，也由于所有设备置于人体外部，神经元放电信号会受到脑膜、脑脊液、颅骨等脑部结构带来的衰减和散射，其检测到的脑电只能携带较为有限的信息，空间分辨率和时间分辨率有一定界限，目前主要应用于教育、娱乐等消费领域。侵入式脑机接口，电极直接与神经元紧密接触，可以记录到单个神经元的电信号，该方式在信号质量、空间分辨率和神经调控精度等关键性能上有着天然的优势，能够精细地解析和调控大脑（比如可以实现更加精细流畅的运动控制，更加准确的语音合成等），在科研、医疗等专业领域中具有不可替代的重要地位。长远来看，也是支撑新一代人机交互方式的技术底层。侵入式脑机接口的个例应用其实不再是瓶颈。但如何做出一款能够规模化走向市场的产品才是难点，脑机接口是一门结合生物学、工程学、人工智能等学科的跨学科领域，而Neuralink和Musk背后相对应的核心能力也正是支持公司能够长远发展的动力源泉，目前的技术突破也已经构建了较高的壁垒。
Neuralink技术路线被认为是侵入式脑机接口未来5-10年的发展方向，代表着当前脑机接口核心技术的最高水平，其产品发布后掀起了侵入式柔性脑机接口在大众生活、学术研究、市场投资多方面的热潮。临床应用是脑机接口的关键出口之一，但记录通道不足、植入创伤大、缺乏反馈是植入式脑机接口需要解决的关键问题。针对上述挑战，目前侵入式脑机接口正朝着“低通道到高通道、高创伤到微创/无创、单向读取到双向闭环”等方向快速发展，高通量微创侵入式脑机接口技术逐步成为国际上当前乃至未来一段时间内重点研究方向。
与此同时，Neuralink目前尚未获得FDA的临床实验批件，在免疫排斥反应、信号衰减问题、电池续航能力等技术上仍然遇到一些瓶颈，这是商业化应用之前必须解决的技术问题。
中国脑计划自从2014年宣布以来，就备受各界关注。而在2021年，酝酿6年多的“中国脑计划”在千呼万唤后终于正式启动了。中国脑计划被定义为“脑科学与类脑科学研究”，其中涉及59个研究领域和方向。整体规模有望达到百亿甚至千亿级人民币，比肩美国脑计划。学术端，国内顶级高校及研究院所也都在积极参与“中国脑计划”的推进。商业端，以脑虎科技为代表的侵入式脑机接口创新企业也在柔性电极方向取得技术和临床的重大突破。中国脑科学与类脑研究正方兴未艾。
参考资料来源：黑客帝国、Neuralink、公开资料整理
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