你腦袋里有一個——860億個交換機組成的復雜網絡!

重量為2斤半，耗電量僅為20W，相當于一個電燈泡的耗能。

但是，它卻創造了生物電子學的無限奇跡!

大腦是一個電子器官?

腦研究的核心是應用傳感器技術。

無論是我們熟悉的頭皮電極、核磁共振成像，還是新開創的植入芯片等方法，都在試圖探索這個神秘的器官。

最近，比利時納米數字研究機構Imec開創了Neuropixels探測器，即建立一種新的探針，以神經元水平觀察活體大腦。

光是第一代Neuropixels探測器，就已向全球交付約650個實驗室使用。與此同時，Imec還創建了OpenScope共享大腦天文臺，向世界各地大腦研究者提供開源數據。

這是一個全球共享的神經科學研究設施，相當于歐洲核子研究中心用于共享高能物理研究的粒子加速器。

神經像素，這是一種觀察大腦活動的全新技術。它的功能類似于成像，不過，它記錄的是電場而不是光場。

合作始于2010年，工程師Barun Dutta(巴倫·杜塔)與神經科學家Timothy D. Harris(蒂莫西·哈里斯)之間的對話。

杜塔任職于Imec，他使用了最先進的半導體制造設備;哈里斯工作于HHMI(霍華德·休斯醫學院)，他是資深的神經科學家。

杜塔將他的半導體知識帶到神經科學領域

「我們需要在一個自由活動的動物體內，對其局部神經回路，記錄每個神經元的尖峰。」哈里斯說。

由杜塔和哈里斯領銜，組建了一支多學科交叉背景的研究團隊，包括工程師、神經科學家、軟件設計師等人員。

科學家們展開探索，如何利用先進的微電子學發明一種新的傳感器，同時監聽任何一小部分腦組織中、成千上萬個神經元之間的電流對話。

科學家發明的這個系統被命名為Neuropixels，「把我們想象成神經科學領域的英特爾」杜塔說，「我們提供芯片，然后世界各地的實驗室用它們編寫代碼、做實驗」。

要建造一個數字探針，時間足夠長，可以到達大腦器官的任何部分，但又足夠細小，在進入的過程中不會破壞脆弱的組織，這并不容易。

事實上，大腦的彈性和酸奶一樣。

因此，科學家既要保持筆直地插入，又能在晃動的大腦內讓它彎曲，從而長期存在也不至于損壞鄰近腦細胞。

當大腦引導身體完成復雜的行為時，探測器需要足夠持久，才能保持原位并可靠地記錄數周甚至數月。

Neuropixels將神經科學推向一個更高階段，為癲癇和帕金森等腦部疾病提供更好的治療，也為未來的腦機接口鋪平了道路。

時間回到上個世紀50年代，研究人員使用了一種原始的電子傳感器，來識別帕金森病患的神經元失活。

經過了70年的發展歷程，隨著微電子學革命，大腦探針的所有部件都已經微型化，大腦電子傳感技術取得了長足的進步。

2021年，該系統升級為2.0版本。相比4年前的初始版本，增加了一個數量級的傳感器數量。

現在，3.0版本已經處于早期開發階段。

科學家相信，神經像素將按照摩爾定律指數式增長。

而這，還僅僅是一個開始。

Neuropice2.0!

研究大腦的生物學專家建議實驗人員用金或鉑做電極，然后用有機金屬聚合物做柄部。

然而，這些材料都不能和先進的CMOS制造工藝相兼容。于是，實驗人員進行了一些研究，并做了大量的工程設計。最終，Silke

Musa發明了一種氮化鈦，這是一種極其堅固的電陶瓷，它可以兼容CMOS和動物的大腦。

同時，該材料也是多孔的，這給了它低阻抗。低阻抗對獲得電流和清除信號非常有幫助，而無需加熱附近的細胞，從而產生噪音，破壞數據。

多虧了大量的材料科學研究和微機電系統(MEMS)的一些相關技術，研究人員現在能夠控制硅桿和氮化鈦電極沉積和蝕刻過程中產生的內應力。

如此一來，盡管硅桿只有23微米(微米)厚，但它們能一直保持幾乎完美的直線。

而每個探針由四個平行的柄組成，每個柄上又鑲有1,280個電極。在1厘米的長度之內，探針的長度足以達到老鼠大腦中任何一個位置。

在2021年發表的小鼠研究表明，Neuropice2.0設備可以在嚙齒動物正常生活的同時，連續六個月從相同的神經元收集數據。

與CMOS相兼容的柄部和腦組織之間的彈性差異巨大，如此一來，就引發出了一個問題，那就是：當探針在大腦中不可避免地隨著大腦的移動而移動時，應該如何跟蹤單個神經元。

我們都知道，神經元的大小為20至100微米，而每個電極的直徑為15微米，小到足以記錄單個神經元的孤立活動。

但是，經過了六個月的推擠活動，整個探測器可能在大腦內移動500微米。在這段時間里，任何一個特定的像素都可能看到幾個神經元來來去去的場景。

(目前最常見的神經紀錄裝置)

此外，每個柄上的1,280個電極都是單獨可尋址的，四個平行的柄能給研究人員提供有效的2D 讀數，這非常類似于CMOS照相機拍出的圖像。

這種相似性讓研究人員意識到，神經元相對于像素的位移問題和IS系統非常相似。 就像在拍攝的時候搖晃攝像機一樣，大腦中一塊區域的神經元與其電性能是相關的。

研究人員可以利用已有的能解決攝像機抖動問題，來解決探測頭晃動的問題。而隨著穩定軟件的應用，研究人員就能在神經電路隨意移動的時候，使用自動校正功能。

而2.0版本將位于頭骨外部、控制植入的探針并輸出數字數據的電路板縮到拇指大小。

這樣，一個電路板和底座就可以放兩個探針，每個探針延伸出四個小柄，一共有10,240個可記錄的電極。

研究人員編寫了控制程序，實現了高采樣率，能捕捉到大量數據。是CMOS成像芯片通常能記錄的500倍。 但目前該設備還不能捕捉所接觸到的每個神經元的活動。

日后計算機技術的不斷進步將進一步緩解未來幾代人內緩解現存的帶寬限制。

在短短四年時間里，研究人員幾乎將像素的密度提高了一倍，可同時記錄的像素數量也增加了一倍，整體像素數量更是增加了十倍以上，而外部電子設備的尺寸不增反減，縮小了一半。

而下一代的3.0版本也已經在開發中，將在2025年左右發布，保持四年一發布的節奏。在3.0版本中，研究人員預計，像素數量將再次躍升，可以監控大約5萬到10萬個神經元。

同時，小組還打算繼續添加探測器，并將輸出帶寬增加三倍或四倍，將基本帶寬減少兩倍。

(第一個Neuropion裝置。柄上有966個電極。)

科學怪人開頭顱，首創人腦機器

為了推進科學研究，曾有許多科學怪人拿自己的身體做起了實驗。 2014年，美國有一位年近7旬的神經學家Phil

Kennedy(菲爾·肯尼迪)竟鋸開了自己的頭骨，往大腦內植入了電極。

當時因一直找不到實驗對象，研究經費也即將枯竭，Kennedy才出此下策對自己大腦開刀。 這場腦部手術共持續了11個半小時，其實進行的并不太順利。

Kennedy在醒來時竟失去了說話的能力。 他這么做就是為了打造一個語音解碼器，讓無法發聲的患者通過腦機接口的方式重新「發聲」。

此前，Phil Kennedy已經在這個領域研究了近30年，是赫赫有名的神經科學家，被許多人稱為「半機器人之父」。

他在上世界90年代研發的侵入式腦機接口就讓一名重度癱瘓者學會用大腦控制電腦光標打字，讓別人可以「聽到」他的聲音。

在腦機接口上的研究可以說是數不勝數，最讓人興奮和激動的便是Neuarlink的研究。 就在2020年8月，馬斯克在發布會上公布了Neuarlink的重磅突破。

這次，這一次馬斯克打造的神奇設備只有硬幣大小，用手術植入頭骨，充滿電可用一整天。 馬斯克講到，腦機接口最本質的就是「連線」問題(wiring)。

現場，馬斯克就展示了已經植入Neuralink設備兩個月活蹦亂跳的健康小豬。

實驗主要是植入芯片后，能直觀看到豬的腦活動，演示人員撫摸它的鼻子時，豬的神經開始興奮。設備連接的1024個電極作用下，它腦內的電波信號，清晰可見。

同樣在2021年4月，Neuralink再次取得了新進展，一只猴子可以用意念玩乒乓球游戲。 實驗中，一只9歲的恒河猴Pager的腦袋里被植入了兩個N1 Link，工作人員用香蕉奶昔誘惑它玩游戲。 隨著腦機接口技術不斷推進，能夠讓癱瘓患者用意念操作智能手機，速度將會比手指還要快。

馬斯克在去年曾表示，腦機接口將于今年用于人類。 腦機接口未來可期。

參考資料：

https://spectrum.ieee.org/brain-implanthttps://36kr.com/p/1722359709697

https://www.sohu.com/a/193608196_426424

https://www.imec-int.com/enhttps://www.hhmi.org/