使用脑部计算机界面使截瘫残疾人站起来并开始参加世界杯。照片由Nicreras TeamAssociaçãoAlbertoSantos Dumont paraapoioàPesquisa（AASDAP）提供。

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编者注

最近，大脑计算机界面已经流行，众人瞩目的量子机械师不堪重负，并与自动驾驶汽车竞争新闻页面。在虚拟沙龙俱乐部会所，数百人经常聚集在一起在周末晚上讨论。当我的朋友们听说我是一名神经科学的学生时，他们让我烦恼地问各种问题，经常一一问问题，这使我口干并回答了几个小时，直到清晨聊天。

公众对神经科学和技术的兴趣超出了我的期望，他的热情远大于研究生。有许多技术问题。在这里，我想找出我谈论的最技术问题，并致力于“ Sai先生”的读者。我更多地谈论了道德问题，例如在会所对人类的脑部计算机界面威胁。由于空间的限制，我只能稍后再写。

|撰写Wu Jianyong（美国乔治敦大学医学院神经科学系教授）

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黑色技术还是商业头？

Asiders观看了兴奋，而专家的人观看技巧，而大脑计算机界面却无法避免。其他行业中的许多朋友都认为，脑部计算机界面绝对是黑色技术，就像科幻电影一样神秘，而行业内部人士通常抱怨新闻太商业化了，比科学进步更具头。当我遇到这样的讨论时，我经常笑而不是说一句话，然后用这个故事让听众进入场景并自己产生答案。

德国医生汉斯·伯杰（Hans Berger）的第一个故事是测量人脑活动的先驱。

在1924年，测量人脑的电力仍然是一门“民用科学”，并未被主流科学所认可。伯格不得不躲在地下室，并与他的男人秘密学习。当时最大的问题是电子仪器尚未出现，并且没有办法放大弱信号，而弱信号仅占手机电池的十分之一。

他尝试了几种显示EEG信号的方法，例如当时使用最敏感的电量计，这是最敏感的电流计，即使用丝绸在磁场上悬挂一个小线圈，并偏转小镜子通过电流产生的微小磁力移动光斑，以移动光点。由著名的开尔文（Kelvin）发明），可以用电影录制光点的动作。当时，这项技术确实是黑暗房间中的黑色技术。不幸的是，从头皮的外部，计算机电信号太弱了。他想到了许多方式，但失败了。

幸运的是，伯格后来遇到了一名受伤的士兵，一半的头骨失踪。今天，我们知道通过头骨测量脑电图就像通过磨砂玻璃窗拍照，信号被大大折扣。缺乏头骨已经大大加强了脑电图信号，这加强了他对脑电图确实存在的信心。之后，他继续改善自己的技术，并最终测量了普通人头皮之外的脑电图（图1）。

从神经科学的历史开始，将电线进入大脑的先驱将赢得诺贝尔奖。不幸的是，汉斯·伯杰（Hans Berger）未能在第二次世界大战中生存，并在去世前几年获得诺贝尔奖提名。

图1：由汉斯·伯格（Hans Berger）测量的脑电图是电影上的光斑留下的标记。以上是闭上眼睛时的α波，以下是比较信号。这是在人脑中测得的第一个电信号。

今天，我们可以为几美分购买芯片，以扩大脑电图数千次，并轻松展示汉斯·伯杰（Hans Berger）在小学生的教室中的实验。这种示范通常会产生轰动的效果，例如，当您睁开眼睛并闭上眼睛时，脑电信号会大不相同，这使体验者感到惊讶。几年前，我的学生带来了我在国会山举行的一场流行的科学活动中制作的简单脑电图，这使许多人对其进行了排队的体验（图2）。

图2：流行的科学脑电图记录技术。在神经科学协会组织的流行科学神经科学事件中，我的学生展示了我制作的简单的脑电图测量装置，可以消除环境对弱脑电图信号的干扰，并让体验者实时看到他们的脑波随着iPad的思想而变化。

那么1924年的科学今天仍然是黑人技术吗？答案是肯定的。科学发现始终可以在正确的时间成为先进的技术。面对丰富的文学海洋，我只会给出两个新闻效果的例子。一个是，为了促进脑部计算机界面，脑部计算机界面的先驱Migo Nickreras成功地使用了EEG信号来指导机器外骨骼，从而使一个瘫痪的人能够启动FIFA世界杯足球比赛（图片）。

第二个示例是在2015年，Tsinghua University的大脑计算机界面团队使用EEG驱动的键盘进行输入，达到每分钟60个字母的速度。后来，它在2019年世界机器人比赛中创造了新的世界纪录，每分钟达到145个单词（图3）。

能够与脑电图打字可以使那些完全不活动的人基本上正常与他人交流。对于残疾人来说，这确实是技术的祝福。

使用脑电图信号的脑部计算机界面是一种不需要手术的非侵入性技术，因此阈值非常低，健康的人也可以使用它。这种迷人的魅力吸引了该行业以外的无数人和IT行业的企业家。

图3：EEG控制输入。这张照片显示了北京11号学校的一年级高中女生毛富齐参加了2019年世界大脑控制打字技术竞赛。在这场比赛中，她创造了新的世界纪录。

02

哪一种更好，侵入性或非侵入性技术？

由于用于从头皮外部记录脑电图的非侵入性脑部计算机界面是如此强大，为什么行业内部人士经常研究需要手术才能打开大脑的侵入性脑部计算机界面技术？这是因为非侵入性脑电图技术具有无法克服的限制。这就是我之前提到的。通过头骨和头皮测量脑电图就像通过磨砂玻璃拍照。无论相机多么昂贵，它都无法表现出自己的优势。在头皮之外测得的脑电图只能提供非常有限的信息。

我经常使用一些隐喻来解释神经信号测量技术：“大脑就像一个城市，神经细胞就像公民一样，大脑中的信号处理就像公民之间的聊天一样。大脑计算机的界面就像是一个记者采访公民，用麦克风采访公民来了解城市中的新闻。衡量大脑就像通过厚实的墙壁一样。

神经细胞很小，通过几厘米厚的头骨和头皮来测量神经细胞的活性，就像用直升机从天上采访地面上的人一样。那你能听到什么？您只能听到人群一起大喊大叫。就像体育场上方一样，您只能听到球迷在获胜时大声喊叫，并根据此判断比赛。

因此，测量脑电图只能测量大量神经细胞的同步活性，但无法测量单个神经细胞的特定活性。因此，为了了解单个神经细胞的特定活动，您需要深入人群，将麦克风送到每个公民的口中。这是侵入性脑部计算机界面的基本原理。打开大脑头骨，将微小的电极放在神经细胞之间进行测量。

进行了新闻采访的朋友知道，有必要聆听许多人的演讲来准确采访新闻。对于脑部计算机界面也是如此。将它们共同测量数百或数千电极，以从大脑中获取相对较大的信息。不久前，埃隆·马斯克（Elon Musk）发明了用于脑部计算机界面的“缝纫机”技术。每次针迹缝合时，将数十个微小的电极植入大脑皮层中，以便在数十分钟内植入3,000多个电极。如果您一起听超过三千个“麦克风”，则可以更准确地解码大脑中的思想活动。在行业术语中，侵入性技术具有大量信息传输。非侵入性脑电图技术从未实现高信息传输速度。

2021年5月，《自然》杂志发表了一篇有关侵入性脑部计算机界面的文章，该文章立即引发了新闻。它是关于将100多个微电极植入高位置截瘫患者的大脑中，使他每分钟写90个字符，这与双手打字的普通人相似。

在高点，每分钟90个字符的写作速度不如使用EEG驱动的键盘输入的145个字符世界记录。那么为什么新闻中有感觉呢？因为这里有行业中的秘密。一种理论是，Tsinghua使用的技术需要充分承诺，并且侵入性技术使眼睛释放。

具体来说，Tsinghua University使用的技术是凝视着屏幕上的40个正方形之一，并紧紧地眼睛。每个网格中都有一个字符，每个网格以不同的频率闪烁。当您凝视该角色时，您的脑电图将与该网格的闪光灯相同。这样，测量脑电图的频率，您将知道要输入哪个网格。尽管这种方法简单有效，但它可以使您的眼睛紧密牢固。一旦您的眼睛漂移，您将立即在打字时犯错。

侵入性脑内微电极测量大脑皮层运动区域中的神经命令。写作时，手腕，手指，手臂等上有多个肌肉。准确地协调运动。大脑皮层运动区域中还有大量的神经细胞以高精度来协调运动。运动皮层中的说明非常明显并且可以肯定（想象每个人在不同时间签名的字体非常一致）。

重复多次后，计算机可以学会这种明显的电动机命令，以解释哪种神经活动与要写的单词相对应。要以虚构的方式写作，您无需用眼睛或思想来指导特定的手势（肌肉记忆）。您可以释放眼睛和思想并引起感觉是完全可以理解的。这项工作的更重要的含义是遵循相同的常规来分析其他大脑运动指示，例如坐着，步行，跳舞，并使瘫痪的人真正地移动。

03

微电极技术的兴起

那么，这是Musk发明的黑色技术，以将微电极插入大脑皮层中？简单的答案是：不，但是他确实做出了巨大的贡献。为了评估马斯克的贡献，我们需要了解微电极的原理以及科学原始发明与资本随访之间的关系。

测量单神经细胞信号的电极的大小必须很小，因此称为微电极。神经细胞的大小仅是芝麻种子的十分之一，因此电极的大小必须很小。这有点像在市区的市区采访一个人，带有一个小麦克风并接近。如果一个人周围的麦克风与公共汽车一样大，那么声音将淹没在周围的噪音中。

电极就像电线一样，需要有导电的内核和绝缘壳。这样，在尖端检测到的神经信号可以传输到外部大脑计算机界面。如何制作只有头发五十的电线并添加绝缘壳？

业内许多人认为，发明微电极技术的关键人物是一名年轻的中国学生，杨Zhenning的朋友琳·宁（Ling Ning）（1919-2019）（图4的权利）。他的技术是在火焰上融化薄玻璃管，然后用力拉力。此时，融化的玻璃就像丝绸山药上的糖稀释。它首先将其拉入薄线，然后将线折断。仔细调节火焰温度和张力可以使玻璃丝的断裂在常规管开口（图4的左侧）中。这样，细丝的玻璃管壁是一个很好的绝缘壳，并且填充在管中的盐溶液可以传导电能，成为一条微电线，直径少于一个微米的开口，导致了在尖端测得的神经信号。

Ling Ning和他的导师发明的发明帮助了几位诺贝尔奖获得者，并在神经科学领域奠定了几项里程碑。当然，他们被提名为诺贝尔奖。不幸的是，林宁因与主流科学的对抗而变得孤独。后来，他在美国大学担任普通教授，直到他退休。

图4：电极和他的发明家ling宁。左侧是玻璃微电极端口的显微照片，将保险丝从端口上拉出仍然保持整齐的管状。

但是，林宁的玻璃微电极技术不是他的第一个创作，而是继他的前辈的技术多年。回顾几百年前（1660年代），科学家罗伯特·博伊尔（Robert Boyle）解释了如何用玻璃刷子制作精美的刀。在那些日子里，比头发薄的玻璃丝确实是一项黑色技术，甚至是细胞生物学的创始人罗伯特·胡克（Robert Hooke）使用并开发了这种类型的玻璃技术。在接下来的几百年中，科学家一直在使用玻璃线来制造各种工具，例如小规模的针头，钩子，刀，管和其他工具。到1920年，微小的玻璃管嘴太小，无法从水中抓住单个细菌。

值得一提的是，熟练的科学家阿尔伯特·巴伯（Albert Barber）使用了小型气体来吸引玻璃微型工具，他的工艺已经发展到了极端（图5）。他的工具帮助了几项诺贝尔奖获得的原始作品。 Lingning的微电极技术也受益于Babo开发的手工艺品。如今，Babo的熟练手已经完全被机器取代，精确的温度调节和张力控制技术也已完全存储在计算机中。如此新鲜的学生可以比Babo更准确地拔出数百个相同的微电极。

图5：熟练的科学家Babo及其发明的制作玻璃微型工具的方法，使用小型气体燃料融化细玻璃管的中间部分，然后用手水平将其水平拉入电线。

微电极的技术必须与电子放大器结合使用，才能有用。历史学家发现，在1920年代发明了玻璃微电极，其直径为小至4微米，但当时没有信号放大器，而微电极无法施加力量，并逐渐被科学界遗忘。直到第二次世界大战后电子放大器的普及，Lingning的电极才在神经科学领域流行，甚至孕育了一门名为“电论生理学”的新学科，该学科阐明了神经细胞表面上各种分子机的功能和药物靶标，并且仍然是神经科学的重要分支。

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钨微电极进入大脑

使用玻璃微电极研究大脑皮层中的神经活性，遇到了一个小的技术障碍：玻璃太脆，无法穿过杜拉植物，以保护大脑皮层。这种技术障碍导致了另一项发明，即钨微电极。钨合金用于储罐的结构，比钢更难，因此没有问题。但是，如何将如此硬的金属在微尺尺度上制成微电极呢？

智能发明通常很简单，秘密就像刺窗纸一样。该方法是将钨丝放入盐水中并打开电源。电力可以剥夺金属晶格中的电子。一旦金属晶格被摧毁，硬钨将像糖块一样溶解在盐水中。金属线与溶液具有三维接触，而留下尖端的其他表面仅与溶液二维接触，因此尖端比其他部位更快地被电流溶解。钨丝电动时自然会形成尖端。通常，当尖端达到头发直径五十时，电极非常有用。细针还戴在绝缘外套上，并在尖端上留下大约一微米的金属，以接触脑组织，以聆听神经细胞之间的对话。

技术秘密很简单，但是他们仍然需要那些喜欢在科学家中做事的人，以昼夜探索。大卫·赫贝尔（David Hubel）就是这样的科学家。他了解了几位老年人制作钨微电极并将技术优化到实用水平的技能。尽管玩这些事情似乎并不像科学家，但更像是工匠，但这足以让他在“顶级学术杂志科学”中发表一篇文章，该文章专门解释了钨电极。例如，尖端有多大，角度是什么，无论是尖头还是钝，如何涂油漆以暴露尖端等（图6）。

如果您想做一份好工作，则必须首先提高工具。 xiubo的钨微电极尖端正好是大脑大脑皮层中神经细胞的大小（图7），它可以完美地记录神经细胞的放电信号。他和他的同事们利用这项技术来攻击大脑，并研究了动物大脑皮层对眼睛看图像的反应，留下了时代制作的经典作品。眼睛是灵魂的窗户，他们在视觉皮层中的作品激发了下一代大脑皮层的研究。几年后，Xiubo和他的同事赢得了诺贝尔奖（图8）。

图6：Hubo的钨微电极。这是他在文章“科学，第125号，第3247号（1957年3月22日），第549-550页）中的原始图像。

图7：哈佛大学脑科学网站上大脑皮层中钨微电极和神经元的艺术假想图片。

图8：Hugbo和他的实验室。左边是Hugbo，右边是Torsten Wiesel，他是与他分享诺贝尔奖的同事。它们背后的仪器代表了1950年代的脑科学仪器水平：A：微动操纵器，它使用液压传递慢慢地将微电极通过一个微米慢慢推进了一个微米，以接近听觉的神经细胞； B：一个音频监视器，用于听取神经细胞对视觉信号的反应。人的耳朵对声音节奏非常敏感，可以检测到眼睛看不见的信号节奏的变化。 C：示波器，用于查看神经信号，并估计电极尖端和听觉神经细胞之间的距离； D：用于记录观察到的现象的磁带记录器（当时尚未进入实验室的微型计算机）； E：一种多通道记录器（通常称为Lie ottoter），用于监测麻醉后动物的生理状况。

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从一个到更多的微电极

我经常使用隐喻来通过微电极研究大脑皮层的工作原理，这相当于通过在电视屏幕上观察像素来猜测情节。当然，这是一项不可能的任务。

当微电极达到成功记录大脑神经细胞活性的能力时，下一个要求是同时记录尽可能多的神经细胞。当大脑皮层活性时，数十亿个神经细胞经常同时参与，因此脑部计算机界面中有数百，数千甚至数十万个微电极。当前的大脑计算机界面技术已经使用了数百到数千电极。那么，我们如何同时制造和应用如此多的微电极呢？

神经科学家认为蓬勃发展的半导体集成电路技术。所谓的集成电路是在硅晶片上绘制许多电路并连接大量晶体管设备。使用相同的技术，也可以制造许多与神经细胞接触的电极表面和电极导线。

硅晶片上电极森林的形成有点像雨水腐蚀石灰石地面，形成石森林地面（图9左）。通过将硅晶片蚀刻在浓酸中并阻塞需要形成电极的地方，您可以形成一系列电极阵列，这些电极看起来水平，并根据需要形成峰（图9的右）。由硅晶片制成的微电极阵列也称为“犹他州电极阵列”，是已批准用于患者的微电极阵列（图10）。上一篇文章中提到的大脑计算机界面允许高级截瘫患者每分钟写90个字符，是使用的电极阵列。

图9：石森林和犹他州电极阵列。雨水腐蚀地面可以形成石林地面（左）。可以使用类似的腐蚀技术（右）在硅晶片上形成电极森林。

图10：手术期间，实际犹他州电极阵列的照片。此示例中的两个电极阵列是安装在大脑皮层上的身体感觉区域，因此使用适当的电信号来生成虚拟触摸。

犹他州早期电极阵列只有100个电极（10 x 10）。随后的改进是将硅晶片上的电极数量增加10次。原因也很简单。人们长期以来一直掌握了在硅晶片上绘制电线的技能。如果您在每个电极杆上绘制10条电线和10个电极表面（图11），则可以创建1,000（10x10x10）的小麦克风，这些麦克风可以在带有100个电极杆（10x10）的犹他州阵列上聆听神经信号。

图11：在一个电极杆上进行多个电极触点的技术。

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从硬到软，迈出一个重要的一步

脑组织与豆腐一样柔软，并且在日常活动中通常会变形或移动。硬微电极，无论是玻璃，钨还是硅，都无法与脑组织一起移动。该电极和脑组织之间的相互运动可能会造成损害，例如筷子搅动绿豆粥。相互运动会导致电极周围的微型破坏，从而引起局部炎症和类似于疤痕的神经胶质细胞增生。

神经胶质增生阻塞电极和神经细胞，导致信号逐渐减弱，就像阻止麦克风和正在说话的人之间的被子一样。信号削弱的问题是限制犹他州电极阵列广泛使用的主要原因。安装电极阵列是患者的潜在危险颅骨手术。在安装电极后仅几个月或几年后，没有人愿意逐渐失败。

软化电极杆可以使电极通过像海藻这样的组织的位移而波动，从而大大减少了对周围电极的微损害。但是将软电极插入脑组织非常困难。想象一下如何将软绳子垂直插入泥浆中？

目前，钢铁侠麝香出现并解决了这种软电极的世界问题。他的方法是一台“缝纫机” - 使用坚硬的钨针将软电极带入脑组织，然后将其拉出，将软电极留在脑组织中（图12）。尚不知道这个聪明的想法是否来自马斯克本人，尽管他也是一个非常聪明的发明家。

马斯克有钱购买和购买，这是孕育这项技术的重要因素。我们都说，科学技术的进步来自科学家思想中灵感的闪光，但是这种灵感的闪光看起来太多了，例如夏天的草原上的萤火虫，越来越远，越来越近。如果没有强大的资本跟进，大多数闪光只能独自生存，或者几十年后重塑。钢铁侠的不可替代的作用是利用资本大大加速发明过程。

2016年，马斯克投资了1亿美元来创建神经链接。两年后，该公司表示，它发明了一种黑色技术，该技术是一种软电极，可以与神经组织和平并存，并且可以将绳索插入泥浆中的缝纫机。

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大脑皮层上的缝纫机

这台缝纫机是一种自动植入软电极的机器人。缝纫机针是带直径的钨合金针，其尖端可以轻松插入脑组织中（图12A-B）。旁边有几台摄像机，自动避免在大脑表面上的血管，这使得植入电极的过程非常安全，并且几乎没有出血。

软电极由塑料膜制成。在聚酰亚胺塑料膜上，可以使用制作芯片的光刻技术来绘制薄图，然后用导电聚合物或金属膜涂层以形成与脑组织接触的细丝和电极表面（图12C）。缝纫机的每针都将薄膜皮带狭窄的条带入脑组织中。每个皮表面是32个与神经细胞接触的电极（图12C）。通过一种注入，可以将3072软电极植入一次操作中。这是当前的世界纪录。

图12：马斯克电极阵列。 A.缝纫机的示意图。软电极的位置是根据针的深度确定的。 B.缝纫机和针头的局部扩大。 C.在塑料膜上构建的软电极条，每个窄条带有32个电极。 D.软电极条的植入过程，我是即将植入的植入过程，而II是已植入的过程。 E.在动物的大脑上，它自动避免了由血管植入的多个软电极。

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未来：最后一个微米项目

预测未来是开放思想的幻想。幻想不是一个随机的思想，而是基于过去一个世纪神经科学发展的历史。基于我的肤浅知识和有限的想象力，作者认为，脑部计算机界面的关键在于“最后一个微米”，即电极和神经细胞之间的接触界面。因此，我想到了需要打破的脑部计算机界面和技术瓶颈的几个未来方向。

由于空间的限制，本文仅限于历史故事，未来的前景将在下一篇文章中留下。

参考：

[1] Hansberg的故事Haas LF。汉斯·伯杰（Hans Berger，1873- 1941年），理查德·卡顿（Richard Caton）（1842-1926）和脑电图学。 J Neurol Neurosurg精神病学。 2003年1月； 74（1）：9。 doi：10.1136/jnnp.74.1.9。 PMID：12486257; PMCID：PMC1738204。

[2] Tsinghua EEG键入文章Chen，X。等。具有非侵入性大脑 - 计算机接口的高速拼写。 Proc。纳特学院。科学。美国112，E6058 – E6067（2015）。

[3]关于意识形态打字Willett FR，Avansino DT，Hochberg LR，Henderson JM，Shenoy KV的侵入性脑部计算机界面实施的文章。高性能通过笔迹进行交流。自然。 2021年5月； 593（7858）：249-254。 doi：10.1038/s41586-021-03506-2。 EPUB 2021 5月12日。PMID：33981047; PMCID：PMC8163299。

[4]玻璃微电极Bretag AH的发展历史。玻璃微孔电极：其发明者和用户的历史。 2017年4月3日； 149（4）：417-430。 doi：10.1085/jgp.201611634。 EPUB 2017 3月15日。PMID：28298356; PMCID：PMC5379916。

[5]哈佛大学脑科学普及网站介绍了Xu Bo的作品

[6]有关钨微电极Hubel DH的Hubel文章。钨微电极用于录制的单个单位Science，第125号，第3247号（1957年3月22日），第549-550页

[7]马斯克关于软电极和缝纫机Musk e的文章； Neuralink。一个具有数千个通道的集成脑机界面平台。 J Med Internet Res。 2019年10月31日； 21（10）：E16194。 doi：10.2196/16194。 PMID：31642810; PMCID：PMC6914248。

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