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脑机接口:用神经连接器展望未来

发布日期:2019-09-06   作者:小天   来源:www.twl-link.cn   编辑:天科乐   访问量:352

Elon MuskNeuralink项目可以推动纳米微型连接器技术的创新。连接器越小,它在医疗脑机接口应用中的功能就越强大。

通常在本出版物中,将介绍与连接器和电缆组件行业相关的主题,以及针对当前各种应用中电子设备挑战的最新技术和最佳解决方案。在本文中,我们将看一下在一个特定应用中连接器和布线的未来 - 也许是遥远的未来 - 可能是什么样子:脑机接口。

工具一直是我们天生能力的延伸,计算机也不例外。网络计算机,如通过互联网连接的计算机,将人类学院的这种扩展带到了另一个层面,数十亿人的思想能够在彼此之间分享想法和信息。虽然这个网络非常有用,但它仍然依赖于一种古老的技术来调解信息流:语言。我们认为这是理所当然的,但它非常麻烦。互联网基础设施的真正瓶颈不是电子设备:它是人脑,神经和眼球,负责解码和理解用互联网发送的语言编码的信息和想法。

如果有一种技术可以直接将思想联系在一起,绕过语言怎么办?不出所料,Elon Musk是第一个真正认真对待这个想法的人。2016年,他推出了Neuralink,这个项目旨在创造大脑和计算机之间的这种直接连接,或者如果你愿意的话,还可以创建脑机接口。自公司成立以来,对该公司的活动知之甚少,但围绕将数字电子设备直接连接到大脑的技术挑战进行了一些有趣的讨论,其中信息实际上可以有意义地进行交换。

大脑电子学

Tim Urban 在他的博客等待但为什么讨论了这些技术挑战最后,包括对大脑本身电子学的调查。大脑和神经系统由大量的神经元及其轴突和树突形成的生物电缆组成,它们在整个大脑和身体内接收和传输电信号。正如Urban指出的那样,科学理解这些系统在宏观层面上如何运作良好。大脑本身的内部运作是另一回事,但令人惊讶的是,在神经水平上找出大脑的电信号并不是构建神经网络特定品牌脑机接口最困难的部分。相反,最大的挑战将是设计硬件本身。为了理解为什么会出现这样的挑战,我们需要准确理解Neuralink的特定类型的脑机接口将做什么,

脑机接口状态

实际上,大脑已经与机器直接通信了很长一段时间。迄今为止,生物假体应用已成为最普遍的脑机接口技术,使用户能够直接控制假肢驱动,而无需肌肉控制。此类别中还包括可以替代失去的听力和视力的设备。在20世纪70年代,威廉·多贝尔博士将一个实验性生物相容性电极植入患者的视觉皮层,当受到刺激时,患者可以看到光幻视或闪光。

20世纪50年代末以来,用于治疗感觉神经性听力损失的人工耳蜗一直存在。这些设备将声音转换为电信号,直接刺激耳蜗并恢复听力。这种脑机接口技术在其近70年的历史中稳步提升。如今,包括Omnetics在内的供应商提供的纳米微型连接器正在达到小规模,可靠性和坚固性的水平,这既提高了现有设备的性能,又实现了其他脑机接口技术的进步。Omnetics生产一些最小的微型和纳米微型连接器,但正如我们所看到的,即使它们的小型化规模也可能难以满足像Neuralink这样的项目的需求。


Omnetics(右)这样的Nanominiature连接器已经被用于人工耳蜗植入(左)等脑机接口。

然而,并非所有脑机接口都具有治疗应用。2002年,英国雷丁大学(Reading University)教授凯文沃里克(Kevin Warwick)有一个名为BrainGate植入的脑机接口,它允许身体外的电子设备与他的正中神经接合。沃里克随后通过互联网控制机器人手臂。Warwick项目的增强方面(即增加,而不仅仅是替换功能)也是Neuralink的最终目标,但是在更加雄心勃勃的规模上。




全新的脑机接口水平

目前可用于能够与人脑直接接口的电极能够以不同的精度监测或刺激一百个单个神经元之间的任何地方。其他监测神经元和与神经元相互作用的方法,包括功能性磁共振成像(fMRI)扫描和脑电图(EEG),对粒度,单神经元水平的全脑活动测量不敏感或反应灵敏。然而,Neuralink的目标是与整个大脑的神经元级接口。


Nanominiature连接器是脑机接口开发中的关键组件,并且不断缩小尺寸并增加功能,以帮助支持脑机接口的开发,该机器接口能够与人类中大约1000亿个神经元中的每一个直接接口。

考虑到人类大脑中包含1000亿个不断改变其结构的神经元的大脑,因此建立与其中每一个神经元的有效脑机接口的工程挑战立即变得清晰。与100个神经元不精确地接合,甚至刺激视觉皮层产生光的感知,并直接与所有1000亿个神经元接口,甚至数十到数十万个神经元可以实现有用的大脑之间存在巨大的差异 - 机器接口应用程序。

Neuralink团队希望电极技术将受到摩尔定律的制约,就像晶体管技术一样,加速的速度超过线性速度。包括Blackrock Microsystems在内的公司正在这一领域进行创新,Blackrock的商用Utah Array电极阵列具有灵活的设计,可以连接到各种连接器以满足不同的应用需求。

20197月,Neuralink在旧金山的加利福尼亚科学院进行了一次演讲,该公司概述了其技术的初始阶段。Neuralink开发了一种原型机器人,能够将46μm宽的电极线插入大脑而不会损伤脑血管。虽然这是一个高度秘密的公司的主要技术公告,但马斯克承认该活动主要是为了招聘,并且神经网络努力所面临的绝大多数技术工程障碍尚未被征服。无论Musk的演示目的如何,现已发布的微米级电极技术预示着Neuralink在小型化电子产品方面的巨大创新。

看看这项技术可能就像在20世纪40年代看真空管一样。马斯克公司的每一家公司的目的似乎都在为工业界提供建设改变世界的技术。Neuralink希望为电极和其他脑机接口带来类似的创新,但没有人知道该技术的未来会是什么样子。无论如何,微米级小型化连接器和电缆组件的持续创新,尤其是柔性医疗电子产品,肯定会成为其中的一部分。


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