怎样达到一亿个电极

亿级数量的电极应该遍及各个脑结构,而不是集中在一个脑区。另外那么多电极已经不可能再有电线,应该用无线网把神经信号传给外面的接收器。目前的IPv4互联网已经能同时连接四十亿个器件,所以电子工程并不是瓶颈。而瓶颈是微小的电池和把大批微小的脑机接口布置到脑皮层里。把电子线路做得像神经细胞一样小并不难,但是要给这亿万个掺杂在神经细胞间的“小手机”充电可就太难了。目前的一种办法是用超声波供给能量,但为了提供足够的能量却需要一块很大的晶体来接收声波,如此就不能把无线装置做得像神经细胞这么小。

另一种办法是血糖电池,就是利用葡萄糖氧化的能量提供电力。目前血糖电池理念还比较传统,即利用氧化还原电极和催化剂,或利用降解葡萄糖的酶来提供电子。这类装置的缺点是有自己的使用寿命,而且还使用不能生物降解的材料。能不能有一种永远不会磨损的血糖电池呢?

我个人的想法是利用身体本身的细胞来发电。我们都知道的电鱼产生的高压电能轻易电倒一头牛。细胞发电原理已经研究得很清楚,首先是细胞内部有一套完善的代谢系统,逐步承接糖氧化产生的高能电子,并储存在高能分子ATP中,然后再用ATP带动细胞膜上的离子泵积聚化学能(像水坝蓄水),再利用离子通道把化学能变成电能。身体里大部分细胞都有离子泵和离子通道,所以都是小电池,而脑组织里的小胶质细胞不但能发电,而且能不断再生的,是取之不尽用之不竭的电池。我们需要的只是在芯片上建一些停泊细胞的“采电桩”让小胶质细胞紧密停靠。采电桩的周围需要一些蛋白分子防止漏电,即利用组织之间紧密结合的蛋白结构(tight junction),而采电桩本身则需要用另一种导电的蛋白结构(缝隙连接,gap junction)与胶质细胞的膜融合。这两种蛋白结构都是现成的,被亿万年的生物进化优化过,也是电鱼产生高压电使用的常规零件。我们现在需要的是搞清这些蛋白分子的结构,知道他们连接的具体位点,这样就可以用芯片上的小化学分子模拟连接的结构,把细胞固定在采电桩上。

当能源问题解决以后,像细菌那样小的电子线路就可以用来把神经信号变成无线电信号。测量神经电信号的电极可以由自组装的微米器件构成(图7A 红色小球)。因此这种小装置会有个与神经细胞类似的长长外形(图7A)。

另外一个科学难题是怎样把一亿个小装置布置到脑子里?一个仿生的办法是让改造后的巨嗜细胞把电路吞吃进去(图7C),然后让巨嗜细胞从毛细血管里通过血脑屏障,游走进脑组织再把电路释放出来。

图7 微型无线脑机接口 A 构造示意图。1,电极触手由自组装微米颗粒构成;2,无线接口芯片;3 充电桩;4 停泊在充电桩上的小胶质细胞。B 小胶质细胞的照片(绿色)和周围的神经突起(红色)。C 血液中的巨嗜细胞,可以经过改造后携带微型脑机接口,并通过血液送进脑组织。D 布置在大脑皮层深部的微型无线脑机接口(想象图),左面图中深色斑点是脑皮层中的神经细胞。

电极太多是不是内卷?

应该提一下,业内有些人并不认可电极越多越好这种说法,就连上面提到的大神菲尔·肯尼迪也认为可靠连接比数量多更有意义。他们的论点是这样的:大脑活动的时候虽然有大量神经细胞参与,但大家是协同干同一件事,互相不拧巴。假定用一百个电极去测量,就能基本上明白大脑想干什么,精确率达到90%。那么把电极数量提高十倍,也许精确率会提高到99%,电极数量再提高一万倍呢?精度达到99．99%。照这么算,有必要为了不到1%的改进而增加99%的费用吗?是不是有点煤老板受骗的感觉?

但是另一派认为目前的脑机接口只能干些非常简单的事,要干比较复杂的事,就一定需要与大脑皮层大量神经细胞广泛互动。比如上面说的用脑机接口看电视就需要很高的通讯速度。另外如用脑机接口代替小脑的功能,就需要用大数量大电极读取全身许多肌肉的张力,并配合人运动的意向来发出大量运动指令控制不同的肌肉。

脑机接口技术在未来的发展可能完全脱出俗套,需要解决的科学问题远多于技术问题。科学上的问题比如怎样让电极吸引神经突触,怎样制造细胞电池的采电桩,怎样让芯片从血液里进入脑组织等目前还处在幻想阶段。但幻想经常是新技术的动力,脑机接口本身也是来源于科幻小说。

从哲学层面上讲,有人认为脑机接口早晚会终结人类文明,其后果甚至远比核大战更坏,因为核大战之后至少还能留下可以进化的原始人,而脑机接口则会让人类变成蝼蚁一般的低级生物。但另一种说法是,人工智能也许不用脑机接口就可以轻易战胜人类, 让人类不如蝼蚁。而脑机接口的发展相当于给人工智能的文明掺入人类文明的成分, 或让人类在网络的云里得到永生。

然而,我们都知道“我思故我在”这句名言,意思是说人的“思想”“意识”和“生存”这些概念都是和“我”这个概念紧密相连的。脑机接口让“我”融入云端,这样“我的意识”也就变成了云端的一些运算过程。如此,我将非我,那“我”还存在吗?