脑机接口前沿—植入式设备的军备竞赛

本文来自 PingWest 品玩特约作者啸语,首发于他的同名微信公众号。“原创技术观察,写给万分之一的创新者”。

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从前两篇(链接见文首),我们可以看到非侵入式脑机接口间接检测大脑内部神经电活动会遇到各种制约,获得的数据支离破碎。为了同时实现高空间分辨率和高时间分辨率,提高脑活动解码的能力,最有效的手段还是把微电极阵列植入大脑内部的侵入式脑机接口。

目前脑植入设备已经用于治疗神经疾病:植入电路最早的临床应用是人工耳蜗,世界上已经有十几万人在耳蜗植入电击器以恢复听觉。此外,超过11万人植入了美敦力的脑起搏器(深度脑刺激技术,Deep Brain Stimulation)以治疗帕金森病。脑起搏器产生高频电刺激脉冲,通过电极触点作用于脑内靶点核团,从而减轻帕金森病的震颤、僵直和运动迟缓等症状。2013年11月,美国食品和药物管理局批准了NeuroPace,这是第一种能记录大脑数据并对其进行刺激的植入物。它被用来观察癫痫发作,然后以电脉冲进行阻止。

把传感器送进大脑跟把探测器送进深空一样重要,并且会带来更多实际利益。植入式电极阵列(multi electrode arrays, MEAs)已经可以通过读取脑皮层活动,控制假肢或者外骨骼。这方面最具有代表性的就是黑石微系统(BlackrockMicrosystems,源于犹他大学生物工程系,已经被Cyberkinetics Neurotechnology Systems收购)开发的犹它阵列,它作为神经学技术平台已经帮助大脑之门(BrainGate)项目实现了全身瘫痪者通过大脑直接控制鼠标和机械臂,读取大脑运动皮层数据,完成喝水等复杂操作。最近也有大脑利用植入式电极在模拟器上意念驾驶F-35战斗机的新闻,该技术由DARPA(美国国防部先进研究计划署)赞助,因为在军事上的应用是非常直接的。镰池和马在小说中描述了 “把身体在负七十度的条件下冻结,仅仅维持大脑判断能力的「半冻结技术」”,实现了提高驾驶员身体强度以适应战斗机超高加速度。

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植入电极与硬币的尺寸对比

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针状电极的趋势是每根针有多个电极点以采集更多数据

神经接口技术既然可以恢复人的感官,当然也可以用来增强人类,充分发挥机器计算能力,通信和传感能力的优点,比如让人直接理解红外线、紫外线、超声波,拥有准确的长期记忆。人类只能以有限的三维想像和理解这个世界,而计算机完全有能力处理数百个维度。美剧《超脑特工》就描述了让互联网作为外脑的技术,虽然这不可能通过简单的一个芯片实现。

神经植入技术可以让很多设备成为身体的延伸,目前已经实验成功的应用包括了两个人的神经系统直接通讯,还有神经信号驱动轮椅。虽然脑植入过程不会产生疼痛,因为大脑没有痛觉感受功能。但是手术植入仍然存在诸多风险,因此侵入式脑机接口的趋势是发展微创植入,尽量减小手术的影响。这就对于植入传感器的小型化提出了工程技术挑战,美国非常重视这一领域。

DARPA最近提出了ElectRX项目,投入5千万美元拨款以发展尺寸小到接近单个神经纤维的植入体,要求长寿命、高可靠性、高分辨率,并且可以扩展到更大规模神经网络的神经接口。如果实现体内闭环神经的检测和调节,通过刺激或者抑制外围神经系统进行治疗以修复人体内循环系统,就会引发医疗微电子革命。

目前神经调节技术已经通过心脏起搏器和脑起搏器得到了大量临床验证,但是现有设备过于粗糙,DARPA希望设备小到可以应用微创植入,比如针管注射。作为参考,最大的神经细胞体积是~0.6cm3。显然有很多工作要完成。因此DARPA大力鼓励克服体内测量/调节神经活动长期挑战的根本性新技术,比如功能性纳米粒子开关(functionalized nanoparticle switches),改造分子生物开关(engineered molecular bioswitches),声波、光波和电磁方法。如果地球上有人能实现这些,很有可能就是DARPA及其合作伙伴。

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尤里的反坦克步兵单位:狂兽人

ElectRx的基本目标是开发士兵检测工具,但是这个项目的追求已经超过了检测阶段,开始干涉愈合领域,具有潜在的军用价值:乐观来说,植入体可以控制士兵的生理状态以提高各种效果。比如针对支配肾上腺的神经系统的植入体可以实现“实时肾上腺素暴走”,可以理解成量产美国队长。(早在二战时期,参战各国就开始在军队大规模使用兴奋剂,美军飞行员在最近的阿富汗战争中,甚至因为使用刺激神经中枢的药物减少睡眠,持续作战而误炸友军。通过植入电路的神经刺激调节体内自然分泌,有希望降低以往兴奋剂的副作用。)或者当检测到肢体严重创伤时封锁局部动脉。悲观来说,该技术可以通过刺激疼痛神经,重新发明刑讯,进一步提高刑讯过程的安全性和效率。

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DARPA的生物技术办公室最近十几年内,已经在植入假体技术方面取得了巨大的进展。甚至在著名的奥巴马脑计划(Brain Initiative)开始之前,美国国防部门就已经在寻求诊断用纳米传感器。士兵减员的主要原因是疾病而不是战场受伤,因此美国军方迫切需要提高士兵表现,同时降低医疗成本和后勤负担的技术。2012年发表的体内纳米平台 IVN(the In vivo Nanoplatforms program)计划力图颠覆传统军用医疗体系,研究目标为开发在生物活体组织内使用的生物相容传感芯片以进行大分子和小分子的体内连续检测,以及开发适应性纳米颗粒用于持久、分布式生理和环境感测以及疾病和军事相关损伤,比如复合耐药菌和脑外伤的治疗。

8.pic_hd部分图片来源:站酷海洛创意

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