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新一代的腦機介面,真的要來讀我們的腦了嗎?

研發各種腦機介面(Brain-computer interfaces, BCIs),用來讀你的腦和外界溝通,近幾年一直是個興起的議題。伊隆•馬斯克的Neuralink和Facebook先前的臭鼬工廠Building 8,都在試圖讀人類的腦,這是為什麼呢?是要偷我們腦袋中的資料嗎?

為什麼科學家想開發腦機介面?

據這群研究人員的說法,如果能順利讀取人腦中在想什麼,就有機會知道這些因為腦或者脊椎受傷的患者在想什麼,進而幫助他們自主移動或者和外界溝通。然而,腦機介面仰賴的是植入腦中的感測器,用它來記錄腦中的電訊號,電訊號傳到外部,再加以解讀它的意思,進而驅動外界的電腦或者機械義肢。

而現今大部分的用於腦機介面的感測器(包括我們看到的Neuralink),多只有一到兩個感測元件來擷取數百個神經元的訊號,而這類感測器的設計像是一整塊的裝置,上面有數個感測元件。也就是收取的訊號就侷限在放置感測器的位置。但是只有局部的訊號夠嗎? 當然不夠。神經科學家希望能看到的是整個腦的訊息。那麼,有這種可以擷取整個腦的訊號的系統嗎?是不是要先突破感測器只能放在一個位置的限制?

新一代的腦機介面

近日一篇刊登在Nature Electronics的研究,發表了新一代的神經感測器。所謂新一代,就是說它的尺寸如同鹽的顆粒般。這個鹽粒尺寸的感測器(稱作神經顆粒,neurograin)可以獨立記錄神經元訊號,以無線的方式將訊號傳遞到中央集線器,因為這個感測器夠小,開發的團隊認為更有機會可以完整的記錄腦的訊號。

神經顆粒突破過去的限制,就是因為現有的腦機介面,多是一個整體的結構,例如說一個模組上面,有很多的感測器,可以想成是像一塊模組,上面有很多小感測器,像是一個小的針床。而神經顆粒因為小,每個感測器是分開的,有機會能分開來,放置到腦的各個位置。

超級小的設計,能放進所有的東西

很難想像這麼小的東西,怎麼塞進這麼多的電路啊什麼的。研究團隊說明光是開發就花了四年的時間。第一步,是想辦法把負責感測的電子元件縮小,同時保有能夠偵測、放大和傳輸腦神經訊號的功能,全都要設計在這個超微小的矽神經顆粒內。這麼小的產品在設計上,當然很難實作來驗證。因此,初始是先在電腦內設計進行模擬驗證,確認可行,才進行製造。第二個挑戰,在於開發這些訊號蒐集的通訊集線器,是要放置在腦外的,用來收錄放置在腦內的神經顆粒傳出來的訊號。當訊號一多,假使我們在腦內的神經顆粒很多,那這個裝置就需要能做大量訊息溝通和整合的能力。目前的設計,通訊集線器的大小跟手指的指紋差不多大,可以貼附在頭皮上。它的功能像是一個超級小的手機訊號基地台,應用網路協定來協調神經顆粒的訊號傳遞,也就是說每一個神經顆粒都備有自己的網址。此外,這個集線器也可以無線的方式,供電給神經顆粒,想當然爾,這個神經顆粒在設計的時候,就需要考慮到盡量用最小的能源來運作,讓耗能減到最小。

實驗鼠試驗

目前這個成果仍是處於實驗室研究的階段,目的在於示範這個設計可以從活體動物的腦中記錄神經訊號。示範實驗中,研究員在實驗鼠的大腦皮質外層放置了48個神經顆粒,成功地記錄到神經訊號和自發性腦的活動。除此之外,也測試是否能也提供腦刺激,利用小的電訊號脈衝來啟動腦神經活動。這部分是用前面提到貼在頭皮上的通訊集線器來發佈命令,驅使神經顆粒動作。以上,提供腦刺激&擷取腦訊號的運作能夠成功,就有機會用來藉由刺激和收取腦訊號,幫助腦或者神經受傷的患者,回復它們的功能。

可能因為實驗鼠的腦,尺寸較小,研究團隊只使用了48個神經顆粒來進行這次的實驗,但其實現在這個系統,能加載到770個神經顆粒。最終,研發團隊希望可以加大到數千個神經顆粒,也就能完整地把整個腦的活動給記錄下來。這部份聽起來很理所當然,但其實也是不容易。為什麼呢?別忘了前面有提到,系統需要同時處理無線電源的供應和訊號的無線傳輸,而傳遞速度要能達到mega-bit/sec這個等級。想想喔!要在這麼小的神經顆粒,放入電路設計,還要達到一定的效能,真的是不容易!

但是但是,未來能有完全非侵入式的設計嗎?

參考文章: Brown University, Nature Electronics

【作者簡介】 BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章要有邏輯,藉由報導、解析生醫領域的創新和應用來傳播知識。

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