「神經塵埃」將為腦機連接埠取得突破口,用意念互動機率大增

「神經塵埃」將為腦機連接埠取得突破口,用意念互動機率大增

對人類來說,神經系統可謂至關重要。你想動動手或動動腿,都得透過大腦對神經的控制才能實現。一旦控制某個部位的神經遭到了破壞,就很難恢復,這就導致很多殘障症狀的出現。

為了應對神經遭到破壞的問題,人們找了許多方法。比如為了讓義肢能夠受人的控制,科學家們研製出了仿生手,透過將電極與手臂的神經末梢相連,從而可以利用神經控制義肢。

「神經塵埃」將為腦機連接埠取得突破口,用意念互動機率大增

這種方法無疑是開創性的。但如果僅僅是為了恢復義肢功能而對神經進行干預,應用範圍未免有點太過於狹窄。相較於殘疾,更多的人在遭受著大腦疾病的折磨,中風、阿茲海默症、癲癇等等。而且,關於大腦的研究顯然也是人們比較熱衷的方向。

既然可以連接手臂的神經末梢,那麼有沒有某種植入物能夠深入大腦內部呢?這種仿生手的電極顯然不行,畢竟大腦不是別的,那麼大的東西萬一病沒治好再引起其他症狀就得不償失了。那麼,考慮到大腦的脆弱性,一種前所未有的神經植入物概念被科學家們提了出來,這就是:

神經塵埃。

1毫米也太大:神經塵埃究竟要多小?

神經塵埃第一次大規模走入人們的視線,是2016年加州大學柏克萊分校的工程師和其他研究者一起在《神經元》雜誌上發表的一篇論文。在該論文中,工程師們披露其已經開發出了一種沙粒大小的微型傳感器,利用超音波,其可以為神經塵埃植入物提供動力和傳輸資料。

當然,這種傳感器的受試「者」還是小老鼠。研究者們已經成功在老鼠的肌肉、神經組織中植入了神經塵埃。

柏克萊此舉意味著:神經塵埃已經初步從概念走進了現實,假以時日,其將很有可能進入到人體當中,實現對人的身體進行監測和防治疾病的可能。

而在柏克萊發表此項研究之後的6個月後,2017年2月,馬斯克宣布投資一家名為neural link的公司,表示打造「神經織網」,意圖把人體打造成為一個遍布電子元件的半機械人。神經織網是由奈米級的超細材料構成,其可以與人的大腦無縫連接,進而將生物與電子結合起來。

不久之後,研製出沙粒大小的神經塵埃傳感器的科學家們,差不多就被馬斯克給收編了……

「神經塵埃」將為腦機連接埠取得突破口,用意念互動機率大增

儘管柏克萊的科學家們做出了一個開創性的舉動,但對神經塵埃真正進入人體來說,也只是剛剛走完了第一步。其開發的產品至少還需要滿足兩點才能適應人體內的工作要求。

第一,體積問題。很多人認為,神經塵埃要想進入人體,直徑必須要控制在1毫米以內、乃至50微米才相對來說會比較安全,而這般大小也只能植入肌肉當中;如果要在大腦的深度植入的話,必須要更小,10微米可能是一個最低界限值。否則的話,其將可能引起植入物周圍組織的感染。

第二,體內停留時長。如果按照神經織網的目標前進的話,神經塵埃是需要在體內長期停留的,十年可以當做是一個起點。目前的電極絲的壽命也僅僅只有數年,過多頻次的更換將可能引起其他問題。神經塵埃作為一個新生事物,其能在體內停留多久,還是一個尚待觀察的問題。

關於這兩個問題,馬斯克把柏克萊的研究人員給收編了之後似乎沒什麼新的進展。但不要緊,因為神奇的麻省理工學院也出來刷神經塵埃的存在感了。

研究多巴胺,卻結出了神經塵埃之花

與柏克萊2016年就搞了個大新聞一樣,麻省理工顯然是一個「潛伏者」。但從一開始,其研究的方向卻是測量大腦的多巴胺水準。

2015年的時候,麻省理工學院的研究小組就證明了利用微型傳感器是可以測量大腦中多巴胺的水平的。而多巴胺會的分泌會影響人們的瞬間決策。但問題是一直沒有辦法找到可以安全地深入大腦中進行監測的探針。他們曾經嘗試了直徑為100微米的電極來探測,但是這種電極只能維持一天的工作,並且由於體積太大,其會產生瘢痕組織。這樣就會影響到電極的工作。

而最終在去年,研究人員開發出了直徑只有10微米的探針傳感器,並立即在動物身上進行了實驗。其在每隻的動物的大腦紋狀體5毫米深處植入了三到五個傳感器,連續測試了393天,中間傳感器並沒有中斷工作。並且,在此過程中也沒有發現瘢痕組織的產生,這意味著對傳感器周圍的組織而言,其實非常安全的。

「神經塵埃」將為腦機連接埠取得突破口,用意念互動機率大增

從這個角度上來說,體積可以達到10微米(研究人員還計劃將其做得更小),又不會對周圍組織造成損傷,為大腦植入開創了很大的可能性。

如上文所說,麻省理工的這項研究是基於研究大腦中多巴胺的分泌而開展的。由於多巴胺的缺乏,帕金森氏病、憂鬱症和精神分裂症等可能會發生。透過這種傳感器的長期潛伏式檢測,人們將有望找到克服這些疾病的方法。

而這與神經塵埃有什麼關係呢?

其實正如柏克萊不滿足於一毫米的顆粒傳感器,麻省理工則是成功地將傳感器的大小做到了10微米,並且還在動物體內進行了長達將近四百天的可靠性試驗。同樣是對大腦進行傳感器植入,麻省理工用來檢測多巴胺的技術或可真正移植到神經塵埃的研發當中去,而其深入大腦、破解大腦的秘密之日,或許也將不再遙遠。

那麼,神經塵埃究竟能給人類的人體帶來哪些新的可能?

腦機連接埠或將取得突破口

擁有了這樣一個科幻的名字,「神經塵埃」如果發功,想必是不會讓我們失望。例如以下幾個領域,其將會有廣闊的用武之地。

1. 實現身體全方位的數據監測。目前人類的植入式傳感器多位於皮膚表層,很少有深入到臟腑等深層位置。一方面是傳感器體積過大會帶來排異問題,另一方面也是訊號傳遞可能失敗。而早在柏克萊分校的沙粒神經塵埃研究出來以後,其就已經可以實現胃、腸道等器官和神經、肌肉的植入,並且即時讀取數據。未來其進入大腦之後,人體的檢測數據將有望成為一個整體,以幫助醫生進行更好的判斷診療。

2. 腦機連接埠或將取得突破。腦機連接埠技術分為兩種,一種是侵入性,另外一種是非侵入性的。由於技術的限制,目前常見的腦機連接埠方式都是非侵入性的,即透過電極對大腦皮層訊號的掃描讀取,來進行相應的動作。但在這個過程中受試者必須要全神貫注,否則大腦訊號太過雜亂,將大大影響讀取效果。 

「神經塵埃」將為腦機連接埠取得突破口,用意念互動機率大增

即使這樣,電極也僅僅只能捕捉到一部分訊號而已。顯然,採用電極植入的方式對讀取大腦的訊號來說更為準確,只是考慮到技術和安全性,這種方式除了為科學獻身的狂人之外幾乎不會有人嘗試。那麼,當神經塵埃成功植入大腦之後,其就可以長期穩定地檢測大腦訊號,其讀取效果遠比大腦皮層那微弱的蒐集要強得多。無論對機體功能不全者還是全新的人機互動,其顯然都蘊藏著極大的能量。腦機連接埠因此也有可能取得新的技術突破。

3. 神經相關的疾病診療。神經塵埃可以用來刺激神經或者肌肉。最簡單的例子,很多人夏天晚上洗完臉吹著風扇睡覺,一覺醒來,臉癱了……這就是風吹的過程中受涼的表現,臉部神經遭到了損害。幸運的人,吃吃藥、熱敷或者針灸一下,就好了;不幸的人,可能一輩子就這樣了。而如果透過植入神經塵埃對周圍神經進行刺激,或者透過模擬訊號與原來的神經相連,臉癱治療可能成為一件非常簡單的事情。而諸如癲癇、帕金森氏症、肌肉萎縮、半身不遂等症也有可能得到徹底治癒。

關於神經塵埃看起來雖然比較小眾,但它毫無疑問是真正意義上的高級精密尖端的技術。也正由於此,只有世界頂級的科學家和研究團隊才有能力去從事這項研究。植入會越來越成為醫療發展的一個重要內容,神經塵埃也將把植入推向另一個高潮。

甚至很有可能,未來的人機互動將會成為意念式互動,動嘴都會變成一件麻煩事……想想就讓人感到興奮? 

本文授權轉載自腦極體

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