將活體神經(jīng)元植入大腦，他和馬斯克鬧掰后開辟腦機(jī)接口新路線
電極外置，不損傷大腦
克雷西 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI
“向大腦中植入活體神經(jīng)元?！?/p>
和馬斯克鬧掰了的Neuralink聯(lián)創(chuàng)Max Hodak，宣布了新型腦機(jī)接口技術(shù)路線！
不同于傳統(tǒng)的電極方案，這種新方法不僅能獲得更豐富的神經(jīng)活動(dòng)信息，關(guān)鍵還不會(huì)損傷大腦。
具體來說，這是一種“生物混合探針技術(shù)”，在體外培養(yǎng)神經(jīng)元，然后嵌入電子設(shè)備中并植入大腦，形成新的生物連接。
官宣的同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還公布了在小鼠身上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初步證明了這條路線的可行性。
Reddit上有網(wǎng)友評(píng)論說，這種新型的腦機(jī)接口不會(huì)被大腦視為入侵物體，而是被當(dāng)做大腦的一部分。
按照他的說法，這條路線如果能夠成功，將成為邁向直接神經(jīng)接口，甚至FDVR（全潛式虛擬現(xiàn)實(shí)）的重要一步。
用燈泡給大腦發(fā)送消息
之所以研究團(tuán)隊(duì)想要替代電極方案，在于電極會(huì)對(duì)腦組織造成損傷。
研究團(tuán)隊(duì)展示了一張大腦的橫截面圖像（藍(lán)色表示細(xì)胞核），并表示人腦中看似空曠的空間實(shí)際上充滿了軸突、樹突和支持細(xì)胞，形成了密集的突觸網(wǎng)絡(luò)。
而在神經(jīng)元尺度上，即使是很小的電極也同樣具有破壞性，雖然電極少的時(shí)候影響較小，但達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，就需要在通道數(shù)和大腦損傷之間進(jìn)行權(quán)衡。
而研究團(tuán)隊(duì)提出的生物混合架構(gòu)，利用神經(jīng)元非破壞性連接的自然能力，可以在不損害大腦的情況下進(jìn)行整合。
如圖所示，綠色突出顯示的細(xì)胞是實(shí)際的神經(jīng)元軸突和樹突，它們從生物混合移植物中延伸出來，在整個(gè)大腦中形成能夠傳輸信息的連接。
具體來說，這種方式將人工培育的神經(jīng)元植入大腦，電子元器件再與人工神經(jīng)元連接，相當(dāng)于電子元件被外置。
在嵌入式神經(jīng)元的兩側(cè)，有數(shù)十萬個(gè)microLED和電極分別負(fù)責(zé)刺激和記錄神經(jīng)元的活動(dòng)，人們可以通過一種穩(wěn)定的方式來讀取和寫入神經(jīng)元信息。
這種腦機(jī)接口中使用了一種光遺傳學(xué)技術(shù)，其中的神經(jīng)元已經(jīng)被認(rèn)為修改，可以被光激活。
也就是說，人們可以通過microLED燈泡刺激接口中的神經(jīng)元，進(jìn)而將信息傳遞給大腦。
另一方面，來自大腦的信號(hào)可以通過植入神經(jīng)元傳遞給電極，從而進(jìn)行讀取和記錄。
除了避免對(duì)大腦的破壞，這種方式還可以提高信息傳遞的信噪比。
另外由于神經(jīng)元之間會(huì)形成連接，移植一百萬個(gè)神經(jīng)元（體積遠(yuǎn)小于一立方毫米），就可能會(huì)產(chǎn)生超過十億個(gè)突觸，效率要高于從“通道數(shù)量”考慮的電極模式。
如果這條路線能成功，確實(shí)可能會(huì)給腦機(jī)接口帶來極大的改變，但到底能不能成功，目前仍處在探索階段。
小鼠大腦成功響應(yīng)光信號(hào)
研發(fā)團(tuán)隊(duì)引用的文獻(xiàn)表明，使用生物材料制作的“神經(jīng)移植物”，能夠成功存活并實(shí)現(xiàn)與被植入者正常細(xì)胞。
例如在2015年，斯坦福大學(xué)的Blake Byers在研發(fā)帕金森氏綜合征動(dòng)物模型時(shí)，從患者身上采集了皮膚樣本，將其重新編程為神經(jīng)元并移植到老鼠體內(nèi)。
結(jié)果Blake發(fā)現(xiàn)，當(dāng)移植細(xì)胞被激活時(shí)，在老鼠大腦中遠(yuǎn)處的位置出現(xiàn)了明顯的活躍。
2019年，劍橋大學(xué)Amy E. Rochford（現(xiàn)就職于Science雜志）等人撰寫了一篇關(guān)于生物混合神經(jīng)接口的綜述，當(dāng)中還提到了四種具體的類型。
前人的這些研究都表明，利用生物混合技術(shù)制作腦機(jī)接口，在理論上具備可行性。
實(shí)踐層面，研發(fā)團(tuán)隊(duì)也剛剛發(fā)布了在小鼠上取得的試驗(yàn)成果。
研究團(tuán)隊(duì)利用光刻技術(shù)制備了含有微孔陣列支架的生物混合植入物，每個(gè)植入物含約11.8萬個(gè)微孔，通過離心將從胎期小鼠皮層中分離出的神經(jīng)元裝載到支架內(nèi)，裝載后約77%的微孔含有神經(jīng)元。
裝載神經(jīng)元后，作者用腺病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)神經(jīng)元表達(dá)鈣指示劑jRGECO1a或光敏感陽離子通道CheRiff，次日將植入物移植到小鼠大腦左側(cè)初級(jí)體感皮層上方，替代部分顱骨和硬腦膜，再蓋上玻璃蓋玻片。
移植3周后，作者使用雙光子顯微鏡對(duì)小鼠腦部進(jìn)行成像，觀察移植神經(jīng)元的存活和整合情況。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)約52%的微孔中含有表達(dá)熒光蛋白的神經(jīng)元，這些神經(jīng)元向皮層內(nèi)投射復(fù)雜突起，表現(xiàn)出自發(fā)的鈣活動(dòng)，組織學(xué)證實(shí)移植神經(jīng)元與宿主腦緊密耦合。
為評(píng)估移植神經(jīng)元的功能整合情況，作者設(shè)計(jì)了一項(xiàng)光遺傳刺激任務(wù)。
他們對(duì)小鼠進(jìn)行飲水限制，訓(xùn)練其通過啟動(dòng)不同的觸碰端口來報(bào)告是否接收到移植神經(jīng)元的光刺激（470nm LED，10個(gè)10ms脈沖，20Hz)，以獲得飲水獎(jiǎng)賞。
當(dāng)動(dòng)物連續(xù)2天達(dá)到區(qū)分度指數(shù)(d’)>1.25的標(biāo)準(zhǔn)后，即認(rèn)為其學(xué)會(huì)任務(wù)。
結(jié)果在光遺傳刺激任務(wù)中，9只接受移植的小鼠中有5只在3周內(nèi)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，與陽性對(duì)照組小鼠的學(xué)習(xí)曲線和所需訓(xùn)練天數(shù)無顯著差異。
而在所有陰性對(duì)照組和移植對(duì)照組中，沒有任何小鼠學(xué)會(huì)任務(wù)，說明小鼠能利用移植神經(jīng)元傳遞的信息。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),移植組小鼠的最佳行為表現(xiàn)與陽性對(duì)照組相當(dāng)，平均比特率可達(dá)0.25b/s，而所有對(duì)照組的比特率幾乎為零。
光刺激功率實(shí)驗(yàn)表明，即使將功率從5mW降至1mW，移植組小鼠仍能執(zhí)行任務(wù)。
這一實(shí)驗(yàn)已經(jīng)初步證明，通過研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“腦機(jī)接口”結(jié)構(gòu)，小鼠大腦成功地接收到了人類用光照傳遞出的信號(hào)并據(jù)此做出了行動(dòng)，也就加強(qiáng)了這種方式的可能性。
當(dāng)然，雖然思路可行，但距離在人類中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，還有很長的距離。
比如研究團(tuán)隊(duì)自己就指出，這種路線可能會(huì)引發(fā)排異問題——雖然大腦不把這種植入的活體神經(jīng)當(dāng)做異類，但免疫系統(tǒng)可不一定這么認(rèn)為。
一種可能的方案是利用被植入者自身的細(xì)胞來培養(yǎng)用于植入的神經(jīng)元，這種方式的確不會(huì)引發(fā)排異，但無論是經(jīng)濟(jì)還是時(shí)間成本都十分高昂，也意味著無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
這就需要人們考慮另一條路線——制造低免疫原性干細(xì)胞，也就是能夠兼容所有人類，而不引起排異的細(xì)胞品種，目前已有多家公司在進(jìn)行此類研究，但這同樣是一項(xiàng)難度極高的操作。
除了免疫系統(tǒng)，脆弱的神經(jīng)元還需要面對(duì)血糖休克、缺氧等“惡劣環(huán)境”，每種環(huán)境對(duì)其生存都是一項(xiàng)考驗(yàn)。
不過總的來說，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種腦機(jī)接口目前仍處于成熟度較低的階段，但還是擁有廣闊的前景。
馬斯克老部下創(chuàng)業(yè)公司項(xiàng)目
研發(fā)生物腦機(jī)接口的Science公司，是馬斯克老部下——Neuralink前總裁Max Hodak創(chuàng)立的。
2021年，Hodak突然宣布從Neuralink公司離職，據(jù)《財(cái)富》雜志的說法，Hodak和馬斯克的關(guān)系長期處于緊張狀態(tài)，可能是他選擇出走創(chuàng)業(yè)的一大原因。
具體到這項(xiàng)工作，是由兩位聯(lián)合創(chuàng)始人Alan Mardinly和Yifan Kong領(lǐng)導(dǎo)。
創(chuàng)立Science之前，Mardinly是馬斯克Neuralink的生物學(xué)部門負(fù)責(zé)人，而Kong在另一家名為Paradromics的腦機(jī)接口公司任CTO。
Mardinly團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)細(xì)胞的生產(chǎn)，而Kong的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)集成電路設(shè)計(jì)和設(shè)備制造。
△左：Alan Mardinly，右：Yifan Kong
今年四月，Science還從一家名為Pixium的法國公司處收購了資產(chǎn)，包括正在進(jìn)行的臨床試驗(yàn)。
這項(xiàng)臨床試驗(yàn)就是當(dāng)前Science正在主推的視網(wǎng)膜假體PRIMA，能夠幫助部分盲人恢復(fù)視力，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果于上個(gè)月公布。
目前，Science正在進(jìn)行相關(guān)文書的準(zhǔn)備，以期獲得歐盟CE認(rèn)證。
Science公司表示，公司當(dāng)前的工作重點(diǎn)仍然在PRIMA上，而正在研發(fā)的腦機(jī)接口，將是一個(gè)長期項(xiàng)目。
參考鏈接：
https://science.xyz/news/biohybrid-neural-interfaces/
https://science.xyz/technologies/biohybrid/
https://www.reddit.com/r/singularity/comments/1gya3uz/breakthrough_scientists_create_a_living_brain/
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