最近，馬斯克的腦機(jī)接口初創(chuàng)公司Neuralink發(fā)布了最新的腦機(jī)接口進(jìn)展，并引起了轟動(dòng)。Neuralink最新公布的進(jìn)展中，在豬的體內(nèi)植入了腦機(jī)接口芯片，從而能夠?qū)崟r(shí)讀出豬腦部的信號，之后有希望可以根據(jù)這些信號實(shí)時(shí)分析出植入對象的腦部活動(dòng)，這給了腦機(jī)接口這一技術(shù)極大的想象空間，未來可望能使用在醫(yī)療甚至人體增強(qiáng)等領(lǐng)域。
腦機(jī)接口中的芯片
事實(shí)上，腦機(jī)接口中芯片具有極其重要的位置。去年七月，Neuralink的第一個(gè)發(fā)布會(huì)中的主角就是自研的N1腦部傳感器芯片。我們這里具體來談一下腦機(jī)接口中的芯片。
總體來說，腦機(jī)接口可以分為植入式和非植入式兩大類。從可以實(shí)現(xiàn)的功能和芯片的重要程度來看，都是植入式腦機(jī)接口遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)過非植入式腦機(jī)接口，因此這里我們討論的腦機(jī)接口以及芯片主要就是指植入式腦機(jī)接口中的芯片。
在植入式腦機(jī)接口中，芯片的主要功能是包括數(shù)據(jù)讀出和腦部激勵(lì)，此外為了保證方便和外界溝通還需要使用無線傳輸。
數(shù)據(jù)讀出的過程主要是指腦機(jī)接口從腦部讀取特定區(qū)域的信號，并且在芯片上做一系列初步處理，包括濾波等。具體多少信號處理在芯片上做，多少傳輸?shù)狡馔瓿蓜t取決于整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)考量。例如，對于一些需要做快速反應(yīng)的腦機(jī)接口芯片（例如檢測癲癇并快速介入），則需要把盡可能多的處理在芯片上實(shí)現(xiàn)，以滿足延遲的需求。此外，通常經(jīng)過芯片處理的信號比起原始信號的數(shù)據(jù)量會(huì)小，因此腦機(jī)接口片上處理部分和無線數(shù)據(jù)傳輸部分是一對重要的權(quán)衡對象：片上處理越簡單，則相關(guān)電路邏輯面積和功耗越小，但是需要無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就越大，無線傳輸部分的功耗壓力就越大；反之，信號處理越復(fù)雜，則功耗和面積越大，但是數(shù)據(jù)傳輸部分或許就可以更簡單一些。
功能上，除了數(shù)據(jù)讀出之外，腦機(jī)接口另一大重要的功能模塊是激勵(lì)信號部分。信號激勵(lì)是指腦機(jī)接口在腦部以合適的方法施加一個(gè)信號，根據(jù)應(yīng)用的不同這個(gè)信號可能是電壓信號，光信號或其他信號。
最后，腦機(jī)接口中無線數(shù)據(jù)傳輸也非常重要，因?yàn)槟X機(jī)接口需要與外界有一個(gè)數(shù)據(jù)接口用于數(shù)據(jù)傳輸和控制。Neuralink第一代腦機(jī)接口的原型使用的是有線數(shù)據(jù)傳輸，而到了今年的原型傳感器中就使用了基于藍(lán)牙的無線傳輸，可見無線傳輸對于植入式腦機(jī)接口的重要程度（畢竟植入對象不希望腦子后面時(shí)時(shí)刻刻都接著一大堆線）。
腦機(jī)接口芯片的應(yīng)用
腦機(jī)接口以及芯片目前看起來雖然科幻，但是實(shí)際上已經(jīng)有了非常實(shí)際的落地應(yīng)用，而這些應(yīng)用主要集中在醫(yī)療領(lǐng)域。
腦機(jī)接口主要落地應(yīng)用中，芯片主要起到一個(gè)形成神經(jīng)信號讀出-實(shí)時(shí)激勵(lì)-數(shù)據(jù)記錄讀出的閉環(huán)。例如，目前有大量的學(xué)術(shù)界腦機(jī)接口芯片關(guān)注癲癇治療。在這樣的應(yīng)用中，首先需要腦機(jī)接口芯片的數(shù)據(jù)讀出能實(shí)時(shí)監(jiān)控讀出腦部信號，并且在檢測到腦部信號出現(xiàn)癲癇征兆時(shí)，就立刻用腦機(jī)接口的信號激勵(lì)產(chǎn)生一個(gè)和癲癇疾病異常電壓信號相反的信號，從而抵消癲癇疾病產(chǎn)生的異常信號，起到實(shí)時(shí)介入的作用。
另一個(gè)閉環(huán)腦機(jī)接口的例子是癱瘓病人的康復(fù)治療。植入式腦機(jī)接口芯片一方面可以讀出患者腦部對于行走的控制信號，另一方面可以根據(jù)讀出的信號在患者脊柱部分施加相應(yīng)的信號，從而讓患者在經(jīng)過訓(xùn)練后能重新獲得行走的能力。
除了包括讀出和激勵(lì)兩部分的閉環(huán)系統(tǒng)之外，一些腦機(jī)接口只用到讀出部分或只用到激勵(lì)信號部分。只用激勵(lì)信號的例子是Argus II系列生物眼，該系統(tǒng)在眼部的視覺神經(jīng)上植入激勵(lì)信號系統(tǒng)和無線信號傳輸系統(tǒng)，同時(shí)在外部的眼鏡上則使用視覺傳感器拍攝外部的環(huán)境畫面，并且將該畫面轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的視覺神經(jīng)信號傳輸給植入激勵(lì)信號系統(tǒng)，而激勵(lì)信號系統(tǒng)則施加相應(yīng)信號激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)讓視覺受損患者重新修復(fù)視覺的能力。該系統(tǒng)已于數(shù)年前通過臨床試驗(yàn)并獲得美國FDA認(rèn)證，可見實(shí)用化的腦機(jī)接口事實(shí)上離我們并不遙遠(yuǎn)。
腦機(jī)接口芯片技術(shù)的難點(diǎn)
上文已經(jīng)介紹了腦機(jī)接口的常規(guī)組成部分和應(yīng)用，那么腦機(jī)接口芯片技術(shù)的難點(diǎn)在哪里呢？
首先，從讀出部分來說，最難的在于如何以非常低的功耗做到低噪聲和低輸入失調(diào)。腦部信號的幅度通常非常小，在微伏級別，因此必須保證讀出放大器的噪聲和輸入失調(diào)都要比腦部信號的幅度還要小，才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的腦部信號讀出。這一點(diǎn)對于模擬電路的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)很大，尤其是在功耗受限的條件下。事實(shí)上，Neuralink N1芯片的主要指標(biāo)之一也是噪聲，這也印證了該指標(biāo)的難度和重要性。
其次，低功耗也是腦機(jī)芯片的核心難點(diǎn)。眾所周知，植入式的腦機(jī)接口芯片必須保證電池壽命，畢竟沒人希望過幾年就做一個(gè)手術(shù)去換一次電池。低功耗設(shè)計(jì)可以分成兩部分，即電路模塊設(shè)計(jì)的低功耗，以及電源管理。電路模塊設(shè)計(jì)需要使用各種低功耗設(shè)計(jì)技巧，以保證單個(gè)通道的平均功耗在微瓦數(shù)量級，而從另一個(gè)角度降低模塊功耗往往就意味著高噪聲，因此如何在功耗和噪聲之間做權(quán)衡是一個(gè)腦機(jī)接口芯片設(shè)計(jì)的核心要點(diǎn)。而低功耗設(shè)計(jì)的另一個(gè)角度就是電源管理，高效率的電源管理模塊可以降低電池能量的浪費(fèi)并演唱電池壽命。此外，電源管理也包括無線能量傳輸?shù)刃碌募夹g(shù)，可以允許腦機(jī)接口芯片通過電感耦合的方式從外部獲取能量，從而可以實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口模塊的無接觸式充電功能?？傮w而言，腦機(jī)接口的低噪聲和電源管理是核心難點(diǎn)，同時(shí)也是目前腦機(jī)接口研發(fā)的重點(diǎn)方向。
腦機(jī)接口芯片的全球競爭格局
美國是目前腦機(jī)接口芯片的領(lǐng)跑者。在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，每年ISSCC等頂級芯片會(huì)議的腦機(jī)接口相關(guān)論文的作者主要都來自于美國。而在商業(yè)化方面，馬斯克的Neuralink也是全球腦機(jī)接口芯片和系統(tǒng)的領(lǐng)跑者之一。
在腦機(jī)接口領(lǐng)域，中國的研發(fā)實(shí)力在近幾年來也在快速提升。例如，清華的王志華教授和東南大學(xué)的王志功都在這個(gè)領(lǐng)域做出了杰出的貢獻(xiàn)，發(fā)表的論文也獲得了全球同行的認(rèn)可。在商業(yè)化落地領(lǐng)域，Neuramatrix等本土團(tuán)隊(duì)也在做相關(guān)的努力。應(yīng)當(dāng)說，中國的腦機(jī)接口芯片研究在低噪聲和低功耗設(shè)計(jì)（包括放大器、無線充電模組等方面）都已經(jīng)做到與全球最一流水準(zhǔn)相差不大，我們認(rèn)為最值得中國追趕的方面在于系統(tǒng)完整性以及跨學(xué)科研究。從系統(tǒng)完整性角度，Neuralink的N1傳感器直接就瞄準(zhǔn)集成放大器前端和片上信號處理的完整系統(tǒng)，只有做到這樣完整的系統(tǒng)才能真正把系統(tǒng)實(shí)用化，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的眾多挑戰(zhàn)和技術(shù)壁壘也只有真正著手做過才能理解。此外，腦機(jī)接口本來就是橫跨芯片設(shè)計(jì)、神經(jīng)科學(xué)和生物學(xué)的跨學(xué)科技術(shù)，目前國外的同行已經(jīng)在設(shè)計(jì)針對下一代生物神經(jīng)技術(shù)的腦機(jī)接口（例如基于光遺傳學(xué)的腦機(jī)接口），在這一方面也希望中國的從業(yè)者能不局限于自己的領(lǐng)域，而積極地去實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的整體發(fā)展，這樣才能保證腦機(jī)接口的整體系統(tǒng)處于全球相關(guān)技術(shù)的最前沿。
