DARPA投資6500萬美元啟動腦機介面計畫，產品四年後推出

美國國防高級研究計畫局（DARPA）開始了其“神經工程系統設計計畫”（Neural Engineering Systems Design，簡稱NESD），正式進入腦機介面領域。而該計畫的目標是——製造能夠連接一百萬個神經元的高保真度大腦植入晶片。

DARPA於美國當地時間週一宣佈，

NESD計畫將耗資6500萬美元，同時集結腦機介面領域最精幹的研發力量。本計畫的參與方包括五家科研機構及一家公司，分別為：布朗大、哥倫比亞大學、約翰皮爾斯實驗室、加州大學伯克利分校、法國視覺研究所，以及初創公司Paradromics。

腦機介面的概念確實已不是什麼新聞，但在這個人工智慧大行其道的年代，把人腦和電腦結合起來的想法總是能引起人們的關注。

自上世紀人類發現腦電波活動開始，就一直在想像並嘗試通過大腦電信號來控制電子設備。

而且，隨著研究的不斷深入，對腦機介面的研究早已不是讓猴子控制機械臂那麼簡單了。目前世界上最好的腦機介面應用在一名叫Erik Sorto的癱瘓病人身上。

他於2013年接受手術，將幾百個神經元連接在晶片上控制機器臂為他料理生活。

幾百個神經元已經對癱瘓病人意義重大了，若是將晶片連接到一百萬個神經元上，就能以更豐富的信號控制更多的外部設備，比如鍵盤滑鼠、輪椅，甚至機器人。

但DARPA的目標可遠遠不止控制外部設備這麼簡單——它們的技術方向有兩個：晶片不僅要能夠記錄腦信號，還要能夠將電子信號回饋至神經元中。

這樣一來，就算是失明者和失聰者也能通過神經晶片重獲光明、恢復聽覺了。

而DARPA在週一的發佈會上表示，一百萬個神經元其實只是個開始。

“一百萬個神經元是人腦中860億個神經元中的滄海一粟。神經系統的複雜性遠遠超乎我們的想像，”項目負責人Phillip Alvelda表示，“但如果我們成功地將豐富的感應信號傳回腦中，我們的項目將為新的神經治療方法奠定基礎。”

NESD計畫的參與方之一，

矽谷初創公司Paradromics的CEO Matt Angle表示，該公司正研製一種叫做“神經輸入輸出匯流排”（Neural Input-Output Bus, NIOB）的微型電極束。每個電極會與多個神經元連接，而總共包含20萬個微型電極的四個電極束可以連接一百萬個神經元。

“微型電極從上世紀五十年代就開始應用了，但它們過去是無法集成的，

”Angle表示。“按照現有的技術，每個微電路都要連接一個放大器，所以如果你要用十萬個微電路，工作量就會無比龐大。”

但Paradromics公司解決了這一問題。通過精細打磨，微電極束的頭部變得無比光滑，並被直接連接到一個CMOS放大器陣列上。“我們保證每一個微電路都最大可能地與CMOS面板接觸，”Angle解釋道。“但如果有幾個點沒有碰到面板，也不會造成太大影響。”

如往常一樣，DARPA對技術研發的里程碑也做了設定。在NESD的第四年，Paradromics必須要完成感知系統修復療法的原型。

而Paradromics的任務則是完成患者的語言能力恢復。NIOB裝置將會從腦中的顳上回區域接收信號，該區域主要負責將聽覺信號處理至音位級別（音位是能夠區別意義的最小語音單位），而大腦的其他部分則負責高級的語義分析。

圖丨由微型電極組成的微電路，每個微型電極的直徑僅為20微米

該公司的靈感源于加州大學伯克利分校的神經科學家Robert Knight教授的研究。Robert Knight表明，在人們自言自語時，其腦中顳上回區域的電信號能被提取出來重建語句本身。也就是說，用戶能夠通過想像說話的過程，並經過腦機介面來控制語音合成裝置來說話。

雖然Paradromics選擇語義分析最為其首要目標，其硬體卻可以用於多種神經應用。只需要改變晶片植入的位置和解碼軟體的種類就能實現功能切換。

然而，Paradromics面前仍存挑戰。Angle設計了一系列的植入晶片，每個晶片上都有五萬個微電路，這些電路將把信號傳輸至頭皮之下、頭骨之上的一個中央傳送器中。為了提升系統的效率，植入系統本身也會分擔一下處理任務。“你必須要在體內就做出傳輸什麼信號的決策，”Angle說，“因為你不可能讓系統每秒解碼並傳輸50G資料。”

圖丨腦植入晶片

所以，中央傳送器在無線條件下將資料傳輸至頭皮表層的一個貼片中，也必須以同樣的方式以貼片為基礎進行無線充電。

反觀另一邊，NESD計畫的其他五個合作夥伴也在視覺、語言、觸覺方面進行研究。

神經工程師Arto Nurmikko領導下的布朗大學的團隊也專注於語言研究。他們的計畫使用多個獨立的、穀粒一樣大小的“neurograins”（神經穀粒），將其置於大腦表層並與獨立的神經元交互，最後將資料傳輸至隨身攜帶或是植入皮膚內的一個貼片中。

圖丨布朗大學的Neurograins網路

在一份郵件中Nurmikko表示，他的團隊正在研究如何植入neurograins、如何保證這些電子元件的密封性和安全性，以及如何處理傳輸的大量資料。而最大的挑戰是，如何搭建一個由一萬個neurograins組成的通訊網路，並使其傳輸有價值的資料。

“即使有著十萬個neurograins，我們也不能連接每個神經元，然而那並不是我們的目標。”Nurmikko寫到，“我們想要在聆聽大量神經元的活動，由此理解大腦的計算過程，比如說聽覺皮層是如何解析語言和音樂的。”

在NESD的第四年，Paradromics必須要完成感知系統修復療法的原型。

而Paradromics的任務則是完成患者的語言能力恢復。NIOB裝置將會從腦中的顳上回區域接收信號，該區域主要負責將聽覺信號處理至音位級別（音位是能夠區別意義的最小語音單位），而大腦的其他部分則負責高級的語義分析。

圖丨由微型電極組成的微電路，每個微型電極的直徑僅為20微米

該公司的靈感源于加州大學伯克利分校的神經科學家Robert Knight教授的研究。Robert Knight表明，在人們自言自語時，其腦中顳上回區域的電信號能被提取出來重建語句本身。也就是說，用戶能夠通過想像說話的過程，並經過腦機介面來控制語音合成裝置來說話。

雖然Paradromics選擇語義分析最為其首要目標，其硬體卻可以用於多種神經應用。只需要改變晶片植入的位置和解碼軟體的種類就能實現功能切換。

然而，Paradromics面前仍存挑戰。Angle設計了一系列的植入晶片，每個晶片上都有五萬個微電路，這些電路將把信號傳輸至頭皮之下、頭骨之上的一個中央傳送器中。為了提升系統的效率，植入系統本身也會分擔一下處理任務。“你必須要在體內就做出傳輸什麼信號的決策，”Angle說，“因為你不可能讓系統每秒解碼並傳輸50G資料。”

圖丨腦植入晶片

所以，中央傳送器在無線條件下將資料傳輸至頭皮表層的一個貼片中，也必須以同樣的方式以貼片為基礎進行無線充電。

反觀另一邊，NESD計畫的其他五個合作夥伴也在視覺、語言、觸覺方面進行研究。

神經工程師Arto Nurmikko領導下的布朗大學的團隊也專注於語言研究。他們的計畫使用多個獨立的、穀粒一樣大小的“neurograins”（神經穀粒），將其置於大腦表層並與獨立的神經元交互，最後將資料傳輸至隨身攜帶或是植入皮膚內的一個貼片中。

圖丨布朗大學的Neurograins網路

在一份郵件中Nurmikko表示，他的團隊正在研究如何植入neurograins、如何保證這些電子元件的密封性和安全性，以及如何處理傳輸的大量資料。而最大的挑戰是，如何搭建一個由一萬個neurograins組成的通訊網路，並使其傳輸有價值的資料。

“即使有著十萬個neurograins，我們也不能連接每個神經元，然而那並不是我們的目標。”Nurmikko寫到，“我們想要在聆聽大量神經元的活動，由此理解大腦的計算過程，比如說聽覺皮層是如何解析語言和音樂的。”