新植入物如何幫助將大腦連接到計算機

: By 趙雲龍

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whiteMocca /存在Shutterstock, CC BY-SA

電子人不再是科幻小說。實際上，腦機接口（BMI）領域已經存在了一段時間。BMI使用通常植入大腦的電極將神經元信息轉換為能夠控制外部系統（如計算機或機械臂）的命令。企業家Elon Musk的公司Neuralink旨在測試他們的BMI系統在2020的末尾針對人類患者。

從長期來看，BMI設備可能有助於監視和治療神經系統疾病的症狀並控制假肢。但是它們還可以提供設計人工智能的藍圖，甚至可以實現直接的大腦到大腦的交流。然而，目前，主要挑戰是開發出在植入和手術過程中避免損害腦組織和細胞的BMI。

BMI已經存在了十多年，幫助失去能力的人控制他們的四肢，例如。但是，通常由矽製成的傳統植入物比實際的大腦組織要硬幾個數量級，這導致不穩定的錄音和損壞到周圍的腦組織。

它們也可能導致免疫反應大腦拒絕植入物。這是因為我們的人腦就像一個守衛的堡壘，而神經免疫系統（就像這個封閉的堡壘中的士兵一樣）將保護神經元（腦細胞）免受病原體或BMI等入侵者的侵害。

柔性設備

為了避免損害和免疫反應，研究人員越來越關注於所謂的“柔性BMI”的開發。它們比矽植入物軟得多，並且類似於實際的腦組織。

一個成千上萬個柔性電極的晶片，每個電極都比頭髮小得多。 史蒂夫·尤爾維森/ Flickr, CC BY-SA

例如，Neuralink首次設計靈活的“線程”和插入器 –細小的螺紋狀探針，比以前的植入物更加靈活–將人腦直接連接到計算機。這些設計旨在最大程度地減少腦部手術後插入後大腦的免疫反應排斥電極的機會。

同時，來自利伯集團哈佛大學的研究人員最近設計了一種微型網狀探針，看起來非常像真實的神經元，大腦無法識別冒名頂替者。這些受生物啟發的電子產品由鉑電極和超細金線組成，該金線被聚合物包裹，其大小和柔韌性類似於神經元細胞體和神經神經纖維。

對囓齒動物的研究表明神經元樣探針插入大腦後不會引起免疫反應。他們能夠監視神經元的功能和遷移。

進入細胞

如今使用的大多數BMI都會拾取洩漏到神經元外部的腦電信號。如果我們將神經信號想像成在房間內產生的聲音，那麼當前的錄製方式就是在房間外聽聲音。不幸的是，信號壁的神經元膜的過濾作用大大降低了信號強度。

為了獲得最準確的功能讀數，以便更好地控制例如人造肢體，電子記錄設備需要直接進入神經元內部。用於細胞內記錄的最廣泛使用的常規方法是“膜片鉗電極”：一個裝有電解質溶液的中空玻璃管和與隔離細胞的膜接觸的記錄電極。但是一個微米級的尖端會對細胞造成不可逆轉的損害。而且，一次只能記錄幾個單元。

為了解決這些問題，我們最近開發了一種類似於髮夾的3D納米線晶體管陣列並用來讀取多個神經元的細胞內電活動。重要的是，我們能夠做到這一點而沒有任何可識別的細胞損傷。我們的納米線極細且柔韌，易於彎曲成髮夾狀-晶體管僅約15x15x50納米。如果神經元等於房間的大小，那麼這些晶體管的大小將相當於門鎖的大小。

這些超小型，靈活的納米線探針塗有可模仿細胞膜感覺的物質，可以毫不費力地穿過細胞膜。他們可以記錄細胞內震顫，其精確度與最大競爭對手：膜片鉗電極相同。

顯然，這些進步是朝著準確和安全的BMI邁出的重要一步，如果我們要完成複雜的任務（如人與人之間的交流），這將是必不可少的。

這聽起來可能有點嚇人，但最終，如果我們的醫學專家要繼續更好地了解我們的身體並幫助我們治療疾病並延長壽命，那麼重要的是，我們應繼續努力突破現代科學的界限，以盡最大可能做工作的工具。為了做到這一點，人與機器之間的微創交集是不可避免的。