多少根电极才够用?

目前钢铁侠马斯克的“缝纫机”已经能在动物脑子里插3千多个电极了。脑机接口的进化也符合指数定律(图4),而将来的新技术有可能会出现很快的增长。

图4 脑机接口的电极增长速度 图中蓝色为半导体芯片上晶体管增长数目,红线为脑机接口记录到的神经细胞数量。从历史上看,晶体管数目约每2年增加一倍(摩尔定律),脑机接口记录神经细胞的数量大约是每7年增加一倍。丨图源:Hong and Lieber, Nature Reviews Neuroscience (2019)
https://doi．org/10．1038/s41583-019-0140-6

那么究竟需要多少电极才够用呢?我们可以根据教科书知识来粗略估计:

首先看触觉:人的一个手指尖的精细感觉需要大约3000个压力感受器,有这样的分辨率才能让您摸出没洗脸的粗糙或使用高级化妆品后的细腻。如此,两手十指加上手掌,几万个电极不算多吧?

然后看视觉:眼睛是心灵的窗户,大脑接收的外界信息有90% 来自眼睛;与大脑相连的视神经占大脑与整个身体相连神经总数的40%;50%的大脑用于视觉信息的处理。视神经内大约有120万根神经纤维(每根纤维由一个神经细胞长出来,用于把自己的活动信息送进大脑)。如此看来,要想通过脑机接口看电视,总得有百万数量级的电极吧?

最后看思想:我们知道脑壳里有左脑和右脑,各自有自己的思想和脾气,相当于两个“人”住在一个脑子里。那为啥您感觉不到这两个人打架呢?因为左右脑之间有很好的沟通。这种随时随地,非常良好的沟通需要有两亿根神经纤维。所以您虽然有时会感到自己科学范儿和艺术范儿的矛盾, 或者用直觉做出违反逻辑判断的决定,但基本上思想还是和谐的,没有左右脑互相想离婚的感觉。可以设想,若要让大脑和机器无缝对接,和谐相处,需要亿数量级的电极。有这样多的电极就能实现人脑-机器融合在一起的现象,脑子和机器不再会闹变扭,也不再会有人想把脑机接口关了,因为关机以后会感觉脑子突然空了,突然变成傻子一样。

大脑皮层中有约二百亿个神经细胞,他们之间广泛联系,但主要的“互联网络”都是在附近几毫米内完成的,而远程联系(如左脑右脑之间)只有很少量的一部分。所以最终脑机接口能达一亿根电极,即脑细胞数量的百分之一左右,是符合神经系统中短程和长程连接比例的。

回到本文的题目,人脑和机器直接通讯应该是没问题的,而真正的技术挑战是怎样能让通讯的容量超过自然速度,即超过大脑通过天然的感官和肌肉与世界的通讯速度。由于神经细胞本身速度的限制,增加电极的数目是增加通讯速度的唯一办法。按视神经里百万根神经纤维的编码容量,我们可以估计出大脑天然的通讯速度大约与一个视频通道相当。而大通讯容量脑机接口的关键就是“最后一微米”工程。即怎样让大量的电极与大数量大神经神经形成可靠的连接。

从一万个到一百万个电极

达到一万电极大概不难,也许马斯克的缝纫机几年内就能做到。但是继续增加几个数量级的电极就不再能用目前的软电极技术了,因为要插入脑皮层的电线实在太多了。

连接一百万个电极的脑机接口有可能采用不用插入的平面电极阵。这个电子技术目前已经有了,类似于手机上相机上用的CMOS芯片。手机相机轻易能达到几百万个像素,其中每个像素就是一个测量光强的感受器。如把光感受器改成电感受器(电极),就可以变成有几百万电极的脑机接口。我们看看手机的相机,可以发现几百万光感受器的信息并不需要几百万根电线通出来,而是把信号在相机硅片上已经整理好了,从一根电线上循序导出。类似地,人们可以把神经细胞放电的信息在芯片上进行预处理,然后再用一根线把神经细胞放电的信息顺序导出。这个技术也叫“CMOS电极阵”,目前已经用于研究工作。

那么百万电极的技术瓶颈在哪里呢?瓶颈就是怎样让神经细胞和电极形成一对一对的联系。我们知道电极必需靠近神经细胞才能接收或发送信号。在一个有百万电极的两维芯片上,怎样让百万神经细胞每个都凑近一个电极接点,形成稳定的信号通路呢?这情况看着有点像在一个万人体育馆里,记者席上密集排列一万个麦克风。这时让观众席上的每一个人对着其中一个麦克风说话,达到既能听见又互不干扰的目的,看着像个不可能完成的任务。

但是这个问题也许可以通过对神经细胞的操控来解决。我们知道神经细胞上有很多枝叉,用来传递和处理信息。这些枝叉不是像树枝一样是固定的,而是像章鱼触手一样可以动来动去。在生物实验中培养神经细胞的时候,很容易观察到单个神经细胞可以自己长出长长的触手 (neurites),和周围其他的神经细胞联系起来(图5)。由此可知神经细胞有向外生长,寻求刺激的原始动力。神经细胞枝叉的生长速度和方向受几种神经生长因子的调控。

图5 人工培养的神经细胞之间形成的连接 图中白色亮圈所围绕的圆形物体是神经细胞,暗色的条状物是神经细胞长出的枝叉,神经细胞靠这些枝叉互相交联传递信息。神经细胞在开始培养时,像一个个小球,互相独立,之后几天内就长出枝丫并与周围的其他细胞接触。

既然神经细胞有持续生长的动力,如果电极点上释放吸引神经生长的化合物,并且在电极表面提供与神经细胞膜粘结的小分子,那么就有可能吸引神经突长过来,在芯片上形成大量稳定的电极-细胞界面。

这个思路叫“神经生长电极”(neurotrophic electrode),由脑机接口的前辈菲尔·肯尼迪(Philip Kennedy)发明。在他的原型器件里,电极尖端是放在一个玻璃管里了,管内含有神经生长因子(图6)。菲尔是个传奇性的人物,十几年前因为FDA的手续问题和NIH研究经费的问题,他失去了在美国进行人体试验的能力。可是他不甘自己的发明和自己一起在没经费的状况下逐渐老去,于是自费飞到规矩不严的巴西,让医生在他自己的脑子里植入了这种电极。不幸的是,他在自己身上的实验也失败了。

图6 菲尔·肯尼迪和他的神经生长电极 A 肯尼迪的神经生长电极,箭头所指的绿色锥形管是个吸引神经生长的玻璃管。B 玻璃管的放大照片,里面有两根记录电极。C 菲尔在他的实验室里,背后的仪器可以看出是1950-60年代的水平。D 神经生长电极的原理图,采自他2008年的文章。上面是实际记录到的神经发放,信号质量非常好,下面示意当电极埋入大脑皮层后,远处的神经细胞受生长因子的吸引长入玻璃管。

在科学研究上,失败是日常,成功则是奇葩。也许过几年哪个亿万富翁会捡起这个概念,把生长因子和CMOS 电极阵组合起来,创造一个风头超过马斯克1000倍的脑机接口。注意,目前的脑机接口电极与神经生长电极的理念是非常不一样的,脑机接口是把电极暴力插入,凭运气靠近神经细胞。而神经生长电极则是用生长因子吸引远处的神经细胞长过来,这种方法技高一筹的原因是,电极可以长的离神经细胞非常近而避免插电极时对这个神经细胞造成损伤。而常规插电极的脑机接口总会造成电极附近的神经细胞损伤,毕竟插到很近又不损伤细胞是个小概率事件。此外,由于神经生长电极是自己长到电极上的,因此结构比较稳定也能随着电极运动。实际测量证明,这种技术可以稳定记录十几年时间,这是目前其他电极难以达到的。