黑客帝国降临！埋入1万个微米电极窃听大脑，马斯克脑机将植入人体
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2022-05-31 13:19
新智元报道
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编辑：时光 拉燕 桃子
【新智元导读】黑客帝国已经离我们不远了！近日，比利时纳米数字研究机构Imec升级了Neuropixels探测器新版本，即建立一种新的探针，以神经元水平观察活体大脑。
你脑袋里有一个——860亿个交换机组成的复杂网络！
重量为2斤半，耗电量仅为20W，相当于一个电灯泡的耗能。
但是，它却创造了生物电子学的无限奇迹！
大脑是一个电子器官？
脑研究的核心是应用传感器技术。
无论是我们熟悉的头皮电极、核磁共振成像，还是新开创的植入芯片等方法，都在试图探索这个神秘的器官。
最近，比利时纳米数字研究机构Imec开创了Neuropixels探测器，即建立一种新的探针，以神经元水平观察活体大脑。
光是第一代Neuropixels探测器，就已向全球交付约650个实验室使用。与此同时，Imec还创建了OpenScope共享大脑天文台，向世界各地大脑研究者提供开源数据。
这是一个全球共享的神经科学研究设施，相当于欧洲核子研究中心用于共享高能物理研究的粒子加速器。
神经像素，这是一种观察大脑活动的全新技术。它的功能类似于成像，不过，它记录的是电场而不是光场。
合作始于2010年，工程师Barun Dutta（巴伦·杜塔）与神经科学家Timothy D. Harris（蒂莫西·哈里斯）之间的对话。
杜塔任职于Imec，他使用了最先进的半导体制造设备；哈里斯工作于HHMI（霍华德·休斯医学院），他是资深的神经科学家。
杜塔将他的半导体知识带到神经科学领域
「我们需要在一个自由活动的动物体内，对其局部神经回路，记录每个神经元的尖峰。」哈里斯说。
由杜塔和哈里斯领衔，组建了一支多学科交叉背景的研究团队，包括工程师、神经科学家、软件设计师等人员。
科学家们展开探索，如何利用先进的微电子学发明一种新的传感器，同时监听任何一小部分脑组织中、成千上万个神经元之间的电流对话。
科学家发明的这个系统被命名为Neuropixels，「把我们想象成神经科学领域的英特尔」杜塔说，「我们提供芯片，然后世界各地的实验室用它们编写代码、做实验」。
要建造一个数字探针，时间足够长，可以到达大脑器官的任何部分，但又足够细小，在进入的过程中不会破坏脆弱的组织，这并不容易。
事实上，大脑的弹性和酸奶一样。
因此，科学家既要保持笔直地插入，又能在晃动的大脑内让它弯曲，从而长期存在也不至于损坏邻近脑细胞。
当大脑引导身体完成复杂的行为时，探测器需要足够持久，才能保持原位并可靠地记录数周甚至数月。
Neuropixels将神经科学推向一个更高阶段，为癫痫和帕金森等脑部疾病提供更好的治疗，也为未来的脑机接口铺平了道路。
时间回到上个世纪50年代，研究人员使用了一种原始的电子传感器，来识别帕金森病患的神经元失活。
经过了70年的发展历程，随着微电子学革命，大脑探针的所有部件都已经微型化，大脑电子传感技术取得了长足的进步。
2021年，该系统升级为2.0版本。相比4年前的初始版本，增加了一个数量级的传感器数量。
现在，3.0版本已经处于早期开发阶段。
科学家相信，神经像素将按照摩尔定律指数式增长。
而这，还仅仅是一个开始。
Neuropice2.0！
研究大脑的生物学专家建议实验人员用金或铂做电极，然后用有机金属聚合物做柄部。
然而，这些材料都不能和先进的CMOS制造工艺相兼容。于是，实验人员进行了一些研究，并做了大量的工程设计。最终，Silke Musa发明了一种氮化钛，这是一种极其坚固的电陶瓷，它可以兼容CMOS和动物的大脑。
同时，该材料也是多孔的，这给了它低阻抗。低阻抗对获得电流和清除信号非常有帮助，而无需加热附近的细胞，从而产生噪音，破坏数据。
多亏了大量的材料科学研究和微机电系统(MEMS)的一些相关技术，研究人员现在能够控制硅杆和氮化钛电极沉积和蚀刻过程中产生的内应力。
如此一来，尽管硅杆只有23微米(微米)厚，但它们能一直保持几乎完美的直线。
而每个探针由四个平行的柄组成，每个柄上又镶有1,280个电极。在1厘米的长度之内，探针的长度足以达到老鼠大脑中任何一个位置。
在2021年发表的小鼠研究表明，Neuropice2.0设备可以在啮齿动物正常生活的同时，连续六个月从相同的神经元收集数据。
与CMOS相兼容的柄部和脑组织之间的弹性差异巨大，如此一来，就引发出了一个问题，那就是：当探针在大脑中不可避免地随着大脑的移动而移动时，应该如何跟踪单个神经元。
我们都知道，神经元的大小为20至100微米，而每个电极的直径为15微米，小到足以记录单个神经元的孤立活动。
（第一个Neuropion装置。柄上有966个电极。）科学怪人开头颅，首创人脑机器
参考资料：
