馬斯克署名論文揭秘腦機接口傳感器芯片原理！首次披露！

馬斯克署名論文首次公開透露Neuralink腦機接口及N1腦部傳感器芯片原理！馬斯克竟是第一作者？！貢獻多大？

今天，大家想必又被馬斯克刷屏了，馬斯克在社交媒體平臺X上宣布，在昨天（28日），人類首次接受腦機接口（Neuralink）芯片植入，植入者恢復良好。

這是人類首次在在人體身上實現腦機接口芯片的植入，消息受到全球媒體的關注，我國新華網等各大媒體均紛紛轉載這條信息，可見馬斯克又干了一件不得了的大事。

從馬斯克公司腦機接口項目操作流程看，手術將由機器人“R1”操作植入物“N1”植入大腦區域。約15分鐘植入完成后，“N1”內的芯片將用于記錄大腦信號并將其無線傳輸到Neuralink的解碼運動意圖應用程序。應用程序解碼大腦信號后，通過藍牙連接來控制外部設備。患者則使用Neuralink應用程序并通過藍牙連接來控制外部鼠標和鍵盤，從而去做自己想做的事。

N1是由Neuralink于2019年研發成功的腦部可植入式傳感器芯片，該芯片可以將細胞膜表面電位記錄下來，并通過濾波等處理將其轉化為數字信號。

▲Neuralink腦機接口技術中植入腦內的N1傳感器芯片，大約硬幣大小

那么，Neuralink腦機接口以及N1傳感器芯片的原理是怎樣的呢？

此前，Neuralink在生物學預印論文網站biorxiv上發布了學術論文《An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels》，首次公開透露了該技術的部分細節。有意思的是，論文的第一作者是Elon Musk，沒錯，就是馬斯克！好奇馬斯克對這項腦機接口技術的貢獻有多大？（該論文可在文末點擊【閱讀原文】查看）

Neuralink腦機接口N1傳感器芯片的超細聚合物探針

N1腦部傳感器芯片高效實現的關鍵之一在于“線”，為了更可靠的在大腦中植入這些線，Neuralink還做了手術機器人R1。

所謂的“線”其實是采用多種具有生物相容性的薄膜材料制造的微小位移神經探針，尺寸小，靈活性強。探針使用的主基板和電介質是聚酰亞胺，這種材料封裝著金質薄膜跡線。

研究團隊創建了小而靈活的電極“線”陣列。每個薄膜陣列由具有電極觸點和跡線的“線”區和“傳感器”區組成，“傳感器”區的定制芯片薄膜接口可以實現信號放大和采集。

晶圓級微加工工藝使得這些器件的高通量制造成為可能。每個晶圓上繪制了10個薄膜器件，而每個薄膜器件具有3072個電極觸點。

每個陣列由48或96個線程，每個線程包含32個獨立電極。采用倒裝芯片鍵合工藝將集成芯片鍵合到薄膜傳感器區域中的電極觸點上。

這樣一來就不用擔心這些“線”會像切皮蛋那樣對待大腦了，縮小“線”的橫截面積會最小化大腦中組件的位移。研究團隊在保持高數量的電極通道的同時，使用步進光刻和其他微加工技術以亞微米級的分辨率制作金屬膜。

在陣列中，研究團隊設計和制造了20多種不同的“線”和電極類型：

▲我們的新型聚合物探針。A. “線性邊緣”探頭，有 32 個電極觸點，間隔 50 μm。B.具有32個電極觸點的“樹”探頭，間隔為75μm。C.增加了面板A中螺紋設計的單個電極的放大倍率，強調了它們的小幾何表面積。D.兩種表面處理的電極阻抗分布（在1 kHz下測量）：PEDOT（n = 257）和IrOx（n = 588）。

線寬范圍在5到50μm之間，包含幾種幾何形狀的記錄點。線的直徑在4到6μm之間，包括最多三層絕緣層和兩層導體。典型線長約為20mm。每條“線”都以 （16 × 50）平方微米的環作為尾巴，方便穿針。

由于金電極的幾何表面積很小，研究團隊采用表面改性來降低電生理學的阻抗，并增加界面的有效電荷承載能力。兩種表面處理材料分別為聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT）和金屬銥氧化物（IrOx），后者雖然電阻更高，但是長時間使用的穩定性和生物相容性更好。

能夠可靠植入N1腦部傳感器芯片的穿線機器人

用薄膜聚合物做成的探針精細又靈活，問題是它們太軟太靈活了，這增加了植入手術的難度。

Neuralink為此專門開發了一種用于植入柔性探針的神經外科機器人。這種機器人每分鐘能植入6根探針，快速可靠，能避開血管并從分散的大腦區域進行記錄。

機器人的植入頭鑲嵌在400mm × 400mm × 150mm的行程三軸平臺上，并安裝有一個小型、可快速插撥的針組。

▲針鉗墨盒 （NPC） 與一分錢的規模相比。A.針。B.平徹。C. 墨盒。

針由鎢-錸線材電蝕刻而成，直徑24μm。針尖被設計成鉤環，用于輸送和植“線”，并穿透腦膜和腦組織。針組由線性馬達驅動，允許可變植入速度和快速回縮加速度（高達30,000 mm s-2），以幫助探針和針頭分離。

夾鉗是一根50μm的鎢絲，在尖端處彎曲，并能軸向和旋轉地驅動。它在輸送過程中負責探針的支撐，并確保其沿針道植“線”。

下圖顯示了用這種機器人把電極插入瓊脂“果凍”的過程。

▲1. 插入器用一根線接近大腦代理。i. 針頭和套管。ii. 先前插入的螺紋。2. 插入器觸地在大腦代理表面上。3. 針穿透組織代理，將線推進到所需的深度。iii. 插入螺紋。4. 插入器拉開，將線留在組織代理中。iv. 插入螺紋。

穿線機器人還包含成像組件（圖中的E），用于將針引導到線環，插入目標，實時查看和驗證。

此外，插入器頭包含六個獨立的光模塊（圖中的C），每個模塊能夠獨立地以405 nm、525 nm和650 nm幾種波長的光或者白光進行照射。

405nm照明用于激發聚酰亞胺的熒光，令光學組件和計算機視覺可靠地定位于16×50μm2的區域，執行亞微米視覺伺服以引導，再用650nm照射通過小孔。

立體攝像機基于軟件計算的單眼擴展景深，用525nm光照射精確估計皮質表面的位置。

▲機器人電極插入器;插圖中所示的插入器頭的放大視圖。A. 裝載針鉗墨盒。B.低力接觸式腦位置傳感器。C. 具有多個獨立波長的光模塊。D.針電機。E.四個攝像頭中的一個在插入過程中聚焦在針頭上。F.具有手術區域廣角視圖的攝像機。G. 立體相機。

這個機器人還會把植入位置記錄到具有顱骨界標的公共坐標系中，當與深度跟蹤相結合時，能夠精確地瞄準解剖學定義的腦結構。

集成的定制軟件套件允許預先選定所有植入位置，這樣可以優化植入路徑的規劃，最大限度地減少“線”的纏結和繃緊。

規劃機器人功能時，Neuralink強調了在植入過程中避免脈管系統的能力，這是機器人的關鍵優勢之一。這一點是非常重要，因為血腦屏障的損傷被認為在大腦對異物的炎癥反應中起關鍵作用。

這個機器人具有自動植入模式，整個植入過程可以自動化，但外科醫生能夠對其保持完全控制，如果需要，可以進行手動微調。

整個外科機器人是無菌的，能對針進行自動無菌超聲波清潔。針組是插入器頭部與腦組織直接接觸的部分，屬于消耗品，在手術中可在一分鐘內更換。

該系統在19次手術中平均植入成功率為87.1±12.6％（平均值±s.d.）。每個手術平均插入時間為45分鐘，插入速率約為每分鐘29.6個電極。

用于處理傳感器信號的專用ASIC芯片

用數千個電極位置的長期記錄大腦信號，向電子設備和封裝提出了極大的挑戰。

高密度的記錄通道要求信號放大和數模轉換必須集成在陣列組件中。而且這個集成的組件必須能放大微弱的神經信號(< 10 μVRMS)，同時抑制噪聲。在最小的功耗和尺寸下，對放大的信號進行采樣和數字化，并實時處理這些信號。

Neuralink的專用集成電路(ASIC)可以達到上面的要求。該集成電路由三個部分組成：256個獨立可編程放大器（Neuralink把它叫做Analog Pixel）、片上模數轉換器（ADC）、用于序列化數字化輸出的外圍控制電路。

▲封裝的傳感器設備。A.單個神經處理ASIC能夠處理256個數據通道。這種特殊的封裝設備包含 12 個這樣的芯片，總共 3,072 個通道。B.聚對二甲苯-c基材上的聚合物線。C. 鈦合金外殼（蓋子取下）。D. 用于電源和數據的數字 USB-C 連接器。

Analog Pixel具有高度可配置性：增益和濾波特性可以進行校準，以解決因工藝變化和電生理環境導致的信號質量變化。

1、片上模數轉換器以19.3kHZ、10bit分辨率進行采樣。

2、每個Analog Pixel消耗5.2μW，包括時鐘驅動器在內，整個ASIC功耗6mW。

Neuralink專用集成電路的性能參數如下表：

ASIC構成了模塊化記錄平臺的核心，便于研發人員更換組件。

在整個腦機接口系統中，ASIC和其他專用集成電路一起放在印刷電路板上。系統由一個FPGA、實時溫度加速度與磁場傳感器、全帶寬數據傳輸USB-C連接器組成。

該系統封裝在涂有聚二甲苯的鈦金屬外殼中，聚對二甲苯的作用是防止液體進入延長使用壽命。

Neuralink制造了兩種不同配置的系統：一個包含1536通道(System A)，一個包含3072通道(System B)。System A采用了新的ASIC，System B采用了功能相當但性能規格較差的早期版本。二者的差異如下：

System B的優勢是最大化信道密度，用于要求極高信道數的場景。

System A的優勢是制造起來更快更可靠，它的制造速度比System A快五倍，產量更高。

連接以太網的基站將來自這些系統的數據流轉換成多點傳送10G以太網UDP數據包，允許下游用戶以多種方式處理數據，比如實時可視化數據，或將數據寫入磁盤。

每個基站最多可以同時連接三個植入物。這些設備還有軟件生態系統的支持，允許零配置的即插即用性。當連接電纜時，系統可以自動傳輸神經數據。

如何記錄腦電波

Neuralink使用換向電纜進行電生理記錄，可以不受動物活動的限制。System A可以同時記錄1536個通道中的1344個，在記錄時可以任意指定通道配置的精度。系統B可以同時記錄所有3072個通道。二者使用在線檢測算法實時處理數字化寬帶信號以識別動作電位（尖峰信號）。

但是實時腦機接口對尖峰檢測的要求，與大多數傳統神經生理學不同。電生理學家可以并花費大量時間離線處理數據，而實時檢測的腦機接口必須最大化解碼效率。

考慮到這些因素，Neuralink設置了>0.35 Hz的閾值來量化記錄尖峰單元的電極數量。腦機接口解碼器通常在沒有尖峰分類的情況下運行，保證性能損失最小。

▲左圖：寬帶神經信號（未經過濾）同時從植入大鼠大腦皮層的單線程（32通道）獲取。每個通道（行）對應螺紋上的一個電極位點（示意圖在左邊;位點間隔為50μm）。尖峰和局部場電位是顯而易見的。右圖：推定波形（未排序）;數字表示線程上的通道位置。平均波形以黑色顯示。

上圖展示了System A的實驗數據。在這個實驗的1280個植入電極中，44個插入電極中有40個成功檢測到信號，顯示了局部場和尖峰活動圖。右側展示了尖峰信號的疊加圖。

研究人員記錄了所有1280個植入通道。在這個陣列種，尖峰的產生量是通道的53.4 %，許多尖峰出現在多個相鄰的通道上，這和在其他高密度探針中觀察到的結果一樣。在19個腦機接口手術中觀察到尖峰產生量為59.10±5.74%，最高值為85.5 %。

結語

Neuralink的腦機接口技術由腦部可植入傳感器芯片和解碼讀取系統等構成，未來有望幫助癲癇、漸凍癥、失明等病癥患者恢復感覺、視覺、運動等能力在神經系統疾病的治療當中也大有可為。但當前設備限制了這一技術在臨床當中的應用。

Neuralink的成果推進了這一領域的落地應用，但從臨床到更大范圍的應用，不僅有賴于多學科領域的基礎研究進展，在安全、倫理、價格等諸多方面也有許多值得進一步討論的地方。

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本文主要資料來自:

量子位《馬斯克一作！Neuralink腦機接口細節公布，特殊材料防大腦損傷，專用芯片助技術落地》

biorxiv網站《An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels》

審核編輯 黃宇