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　　马斯克署名论文首次公开透露Neuralink脑机接口及N1脑部传感器芯片原理！马斯克竟是第一作者？！贡献多大？

　　今天，大家想必又被马斯克刷屏了，马斯克在社交媒体平台X上宣布，在昨天（28日），人类首次接受脑机接口（Neuralink）芯片植入，植入者恢复良好。

　　这是人类首次在在身上实现脑机接口芯片的植入，消息受到全球媒体的关注，我国新华网等各大媒体均纷纷转载这条信息，可见马斯克又干了一件不得了的大事。

　　从马斯克公司脑机接口项目操作流程看，手术将由机器人“R1”操作植入物“N1”植入大脑区域。约15分钟植入完成后，“N1”内的芯片将用于记录大脑信号并将其无线传输到Neuralink的解码运动意图应用程序。应用程序解码大脑信号后，通过蓝牙连接来控制外部设备。患者则使用Neuralink应用程序并通过蓝牙连接来控制外部鼠标和键盘，从而去做自己想做的事。

　　N1是由Neuralink于2019年研发成功的脑部可植入式传感器芯片，该芯片可以将细胞膜表面电位记录下来，并通过滤波等处理将其转化为数字信号。

　　此前，Neuralink在生物学预印论文网站biorxiv上发布了学术论文《An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels》，首次公开透露了该技术的部分细节。有意思的是，论文的第一作者是Elon Musk，没错，就是马斯克！好奇马斯克对这项脑机接术的贡献有多大？（该论文可在文末点击【阅读原文】查看）

　　N1脑部传感器芯片高效实现的关键之一在于“线”，为了更可靠的在大脑中植入这些线，Neuralink还做了手术机器人R1。

　　所谓的“线”其实是采用多种具有生物相容性的薄膜材料制造的微小位移神经探针，尺寸小，灵活性强。探针使用的主基板和电介质是聚酰亚胺，这种材料封装着金质薄膜迹线。

　　研究团队创建了小而灵活的电极“线”阵列。每个薄膜阵列由具有电极触点和迹线的“线”区和“传感器”区组成，“传感器”区的定制芯片薄膜接口可以实现信号放大和采集。

　　晶圆级微加工工艺使得这些器件的高通量制造成为可能。每个晶圆上绘制了10个薄膜器件，而每个薄膜器件具有3072个电极触点。

　　每个阵列由48或96个线个独立电极。采用倒装芯片键合工艺将集成芯片键合到薄膜传感器区域中的电极触点上。

　　这样一来就不用担心这些“线”会像切皮蛋那样对待大脑了，缩小“线”的横截面积会最小化大脑中组件的位移。研究团队在保持高数量的电极通道的同时，使用步进光刻和其他微加工技术以亚微米级的分辨率制作金属膜。

　　▲我们的新型聚合物探针。A. “线个电极触点的“树”探头，间隔为75μm。C.增加了面板A中螺纹设计的单个电极的放大倍率，强调了它们的小几何表面积。D.两种表面处理的电极阻抗分布（在1 kHz下测量）：PEDOT（n = 257）和IrOx（n = 588）。

　　线μm之间，包含几种几何形状的记录点。线μm之间，包括最多三层绝缘层和两层导体。典型线mm。每条“线）平方微米的环作为尾巴，方便穿针。

　　由于金电极的几何表面积很小，研究团队采用表面改性来降低电生理学的阻抗，并增加界面的有效电荷承载能力。两种表面处理材料分别为聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT）和金属铱氧化物（IrOx），后者虽然电阻更高，但是长时间使用的稳定性和生物相容性更好。

　　Neuralink为此专门开发了一种用于植入柔性探针的神经外科机器人。这种机器人每分钟能植入6根探针，快速可靠，能避开血管并从分散的大脑区域进行记录。

　　机器人的植入头镶嵌在400mm × 400mm × 150mm的行程三轴平台上，并安装有一个小型、可快速插拨的针组。

　　针由钨-铼线μm。针尖被设计成钩环，用于输送和植“线”，并穿透脑膜和脑组织。针组由线性马达驱动，允许可变植入速度和快速回缩加速度（高达30,000 mm s-2），以帮助探针和针头分离。

　　夹钳是一根50μm的钨丝，在尖端处弯曲，并能轴向和旋转地驱动。它在输送过程中负责探针的支撑，并确保其沿针道植“线”。

　　▲1. 插入器用一根线接近大脑代理。i. 针头和套管。ii. 先前插入的螺纹。2. 插入器触地在大脑代理表面上。3. 针穿透组织代理，将线推进到所需的深度。iii. 插入螺纹。4. 插入器拉开，将线留在组织代理中。iv. 插入螺纹。

　　此外，插入器头包含六个独立的光模块（图中的C），每个模块能够独立地以405 nm、525 nm和650 nm几种波长的光或者白光进行照射。

　　405nm照明用于激发聚酰亚胺的荧光，令光学组件和计算机视觉可靠地定位于16×50μm2的区域，执行亚微米视觉伺服以引导，再用650nm照射通过小孔。

　　▲机器人电极插入器;插图中所示的插入器头的放大视图。A. 装载针钳墨盒。B.低力接触式脑位置传感器。C. 具有多个独立波长的光模块。D.针电机。E.四个摄像头中的一个在插入过程中聚焦在针头上。F.具有手术区域广角视图的摄像机。G. 立体相机。

　　这个机器人还会把植入位置记录到具有颅骨界标的公共坐标系中，当与深度跟踪相结合时，能够精确地瞄准解剖学定义的脑结构。

　　集成的定制软件套件允许预先选定所有植入位置，这样可以优化植入路径的规划，最大限度地减少“线”的缠结和绷紧。

　　规划机器人功能时，Neuralink强调了在植入过程中避免脉管系统的能力，这是机器人的关键优势之一。这一点是非常重要，因为血脑屏障的损伤被认为在大脑对异物的炎症反应中起关键作用。

　　这个机器人具有自动植入模式，整个植入过程可以自动化，但外科医生能够对其保持完全控制，如果需要，可以进行手动微调。

　　整个外科机器人是无菌的，能对针进行自动无菌清洁。针组是插入器头部与脑组织直接接触的部分，属于消耗品，在手术中可在一分钟内更换。

　　该系统在19次手术中平均植入成功率为87.1±12.6％（平均值±s.d.）。每个手术平均插入时间为45分钟，插入速率约为每分钟29.6个电极。

　　高密度的记录通道要求信号放大和数模转换必须集成在阵列组件中。而且这个集成的组件必须能放大微弱的神经信号( 10 μVRMS)，同时抑制噪声。在最小的功耗和尺寸下，对放大的信号进行采样和数字化，并实时处理这些信号。

　　Neuralink的专用集成电路(ASIC)可以达到上面的要求。该集成电路由三个部分组成：256个独立可编程放大器（Neuralink把它叫做Analog Pixel）、片上模数转换器（ADC）、用于序列化数字化输出的外围控制电路。

　　▲封装的传感器设备。A.单个神经处理ASIC能够处理256个数据通道。这种特殊的封装设备包含 12 个这样的芯。