新智元报告
艺术经纬:时间飞逝水蜜桃
[新智元简介] 黑客帝国离我们不远了！近日，比利时纳米数字研究机构Imec对新版Neuropixels探测器进行了升级，即建立了一个新的探针，在神经元层面对活体大脑进行观察。
你脑子里有一个860亿个开关的复杂网络！
重2.5斤，功耗只有20W，相当于一个灯泡的能耗。
然而却创造了生物电子学的无限奇迹！
大脑是电子器官？
脑研究的核心是传感器技术的应用。
无论是我们熟悉的头皮电极、核磁共振成像，还是新创造的芯片植入方法，都在试图探索这个神秘的器官。
最近，比利时纳米数字研究机构Imec创造了Neuropixels探测器，这是一种在神经元水平观察活体大脑的新探针。
仅第一代Neuropixels检测器就已交付给全球约650个实验室。与此同时，Imec还创建了OpenScope共享大脑观测站，向全世界的大脑研究人员提供开源数据。
这是一个全球共享的神经科学研究设施，相当于CERN用来共享高能物理研究的粒子加速器。
Neuropixel，这是一种观察大脑活动的全新技术。它的作用类似于成像，然而，它记录的是电场而不是光场。
这项合作始于2010年工程师Barun Dutta和神经科学家Timothy D. Harris(蒂莫西·哈里斯)之间的对话。
杜为Imec工作，他使用最先进的半导体制造设备；哈里斯在HHMI(霍华德休斯医学院)工作。他是高级神经科学家。
杜塔把他的半导体知识带到了神经科学领域。
“我们需要记录自由运动动物的局部神经回路中每个神经元的锋电位。哈里斯说。
在杜塔和哈里斯的领导下，一个多学科的研究团队已经成立，包括工程师、神经科学家、软件设计师等。
科学家们正在探索如何利用先进的微电子技术发明一种新的传感器，同时监控大脑组织任何一小部分中数千个神经元之间的电流对话。
科学家发明的系统被命名为Neuropixels。“把我们想象成神经科学领域的英特尔，”杜塔说。“我们提供芯片，然后世界各地的实验室用它们来编写代码和进行实验。”
建造一个数字探针并不容易，它足够长，可以到达大脑器官的任何部位，但又足够小，不会在进入的过程中损伤脆弱的组织。
其实大脑的弹性和酸奶是一样的。
因此，科学家不仅要保持它笔直地插入，而且要在摇晃的大脑中使它弯曲，这样它的长期存在才不会损害相邻的脑细胞。
当大脑引导身体完成复杂行为时，探测器需要足够耐用，以保持在原地并可靠地记录数周甚至数月。
Neuropixels将神经科学推向了更高的水平，为癫痫和帕金森病等脑部疾病提供了更好的治疗方法，并为未来的脑机接口铺平了道路。
早在20世纪50年代，研究人员使用一种原始的电子传感器来识别帕金森病患者的神经元失活。
经过70年的发展，随着微电子技术的革命，脑探针的各个部分都实现了小型化，脑电子传感技术取得了长足的进步。
2021年，系统升级到2.0版本。与4年前的原始版本相比，传感器数量增加了一个数量级。
现在，3.0版本处于早期开发阶段。
科学家认为，根据摩尔定律，神经像素会呈指数增长。
而这仅仅是开始。
Neuropice2.0！
脑生物学家建议实验者用金或铂做电极，然后用有机金属聚合物做手柄。
然而，这些材料与先进的CMOS制造工艺不兼容。于是，实验者做了一些研究，做了很多工程设计。最后Silke Musa发明了氮化钛，这是一种极强的电陶瓷，可以兼容CMOS和动物大脑。
同时，该材料也是多孔的，这使其具有低阻抗。低阻抗对获得电流和清除信号非常有帮助，不会加热附近的细胞，从而产生噪声和破坏数据。
由于大量的材料科学研究和MEMS的一些相关技术，研究人员现在能够控制硅棒和氮化钛电极沉积和蚀刻过程中产生的内应力。
这样，硅棒虽然只有23微米(微米)厚，却能一直保持近乎完美的直线。
每个探针由四个平行的手柄组成，每个手柄上镶嵌着1280个电极。在1cm的长度内，探针的长度足以到达小鼠大脑中的任何位置。
2021年发表的小鼠研究表明，Neuropice2.0设备可以在啮齿动物正常生活的情况下，从相同的神经元收集6个月的数据。
CMOS兼容的手柄和脑组织的弹性差异巨大，这就导致了一个问题，即当探针在大脑中不可避免地随着大脑的运动而运动时，如何跟踪单个神经元。
众所周知，神经元的大小是20到100微米，而每个电极的直径是15微米，小到足以记录单个神经元的孤立活动。
但是推半年后，整个探测器可能会在大脑中移动500微米。在此期间，任何特定像素都可能看到几个神经元来来去去的场景。
(目前最常见的神经记录设备)
此外，每个手柄上的1280个电极是可单独寻址的，四个平行的手柄可以为研究人员提供有效的2D读数，这与CMOS相机拍摄的图像非常相似。
这种相似性使得研究人员意识到神经元相对于像素的位移与IS系统非常相似。
就像拍摄时晃动相机一样，大脑某个区域的神经元与其电特性有关。
研究人员可以使用现有的解决相机抖动问题的解决方案来解决探头抖动问题。随着稳定软件的应用，研究人员可以使用神经回路随意移动时的自动校正功能。
在2.0版本中，位于颅骨外部、控制植入探头并输出数字数据的电路板缩小到拇指大小。
这样一个电路板和一个底座可以装两个探头，每个探头伸出四个小手柄，总共有10240个可记录的电极。
研究人员编写了一个控制程序来实现高采样率和捕获大量数据。是CMOS成像芯片的500倍。
然而，目前该设备无法捕捉到它接触的每一个神经元的活动。
未来计算机技术的不断进步将进一步缓解未来几代人现有的带宽限制。
在短短四年时间里，研究人员几乎将像素密度提高了一倍，可同时记录的像素数量增加了一倍，像素总数增加了十多倍，而外部电子设备的尺寸却不增反减了一半。
下一代版本3.0已经在开发中，将在2025年左右发布，保持四年发布的节奏。在3.0版本中，研究人员预计像素数量将再次跃升，大约可以监控5万到10万个神经元。
同时，团队打算继续增加探测器，将输出带宽提高三四倍，将基本带宽降低两倍。
(第一台Neuropion设备。手柄上有966个电极。)
弗兰肯斯坦开了个头，开创了人脑机器。
为了促进科学研究，许多科学怪人用自己的身体做实验。
2014年，美国一位年近70岁的神经科学家菲尔·肯尼迪(Phil Kennedy)锯掉了他的头骨，并在他的大脑中植入了电极。
当时因为找不到实验对象，研究经费也快用完了，肯尼迪做出了这个决定，给他的大脑做手术。
脑部手术持续了11.5个小时，但并不顺利。
肯尼迪醒来后失去了说话的能力。
他这样做是为了建立一个语音解码器，让不能说话的病人通过脑机接口重新“说话”。
此前，菲尔·肯尼迪已经在这一领域研究了近30年。他是著名的神经科学家，被很多人称为“半机器人之父”。
他在上世纪90年代开发的侵入式脑机接口，让一个严重瘫痪的人学会了用大脑控制电脑光标打字，这样别人就能“听到”他的声音。
脑机接口的研究数不胜数，最激动人心的是Neuarlink的研究。
2020年8月，马斯克在发布会上宣布了Neuarlink的突破。
这一次，马斯克打造的神奇装置只有硬币大小。它通过手术植入颅骨，可以充满电一整天。
马斯克说，脑机接口的本质是“布线”问题。
在现场，马斯克展示了一只被植入Neuralink设备两个月的健康猪。
实验是植入芯片后，可以直观地看到猪的大脑活动。当示范者触摸它的鼻子时，猪的神经开始兴奋。在连接到该设备的1024个电极的作用下，其大脑中的无线电信号清晰可见。
同样在2021年4月，Neuralink再次取得新进展，一只猴子可以用意念打乒乓球。
在实验中，一只9岁的恒河猴Pager的大脑中被植入了两个N1links，工作人员用一杯香蕉奶昔引诱它玩游戏。
随着脑机接口技术的不断进步，瘫痪患者可以用意念操作智能手机，这将比手指更快。
马斯克去年表示，脑机接口将于今年用于人类。
脑机接口在未来大有可为。
参考资料:
https://spectrum.ieee.org/brain-implant
https://36kr.com/p/1722359709697
https://www.sohu.com/a/193608196_426424
https://www.imec-int.com/en
https://www.hhmi.org/
