从新技术到新应用:评论Elon Musk和Neuralink的“一个具有数千通道的脑机集成接口平台”

将神经元活动转化为控制外部设备的指令的第一次尝试是在1960年代的猴子身上进行的。1］．之后，在1960-1970年期间，在猴子身上实现了生物反馈，提供了对皮层神经元放电速率的自主控制[2，3.］．“脑机接口”一词在20世纪70年代初才出现[4］．在侵入性研究中，脑机接口通常被称为“脑机接口”。目前，脑机接口和脑机接口的研究和应用被认为是科学技术中最令人兴奋的跨学科领域之一。

特别是，脑机接口对于感觉和运动残疾的神经康复非常有前景[5，神经通讯[6]、外骨骼[7，认知状态评估[8)等。神经活动特征提取和分类的先进数学方法为脑机接口在日常生活中的应用带来了希望。同时，缺乏有效的侵入性神经成像技术，为医疗目的提供高分辨率的神经活动记录，限制了脑机接口在临床的实现。

在他们的论文中，Elon Musk和Neuralink [9]已经成功地解决了阻碍下一代侵入式脑机接口(或脑机接口)开发的主要问题，通过引入一种新的集成平台，使数千个频道的高质量注册成为可能。他们的设备包含柔性电极线程阵列，每个阵列多达3072个电极，分布在96个线程中。为了克服外科手术的限制，作者制造了一个神经外科机器人，每分钟插入6个线程，空间精度达到微米级。为了增加生物相容性，他们发明了一种神经外科机器人，它比现有的外科方法更快更安全地植入聚合物探针。在自由运动的大鼠中使用该平台，作者报告了高达85.5%的峰值收率。

虽然开发的系统被认为是啮齿动物研究的有效平台，但它可以作为临床应用的侵入性神经界面原型。具体来说，多电极神经接口可能成为新的通信系统和先进的辅助技术的基础，为瘫痪的人，以及控制外部设备和与整个环境交互，例如，集成到新的快速发展的技术，如智能家居和物联网。此外，脑机接口应用对于检测用户大脑中传统通信渠道所不能揭示的隐藏信息非常有前景。目前，非侵入性脑机接口在这些领域的使用受到可识别命令数量的限制。这种限制源于特征数量相对较少，这些特征可以从头皮级脑电图或功能性近红外光谱记录中提取。侵入性脑机接口(或脑机接口)表现出比非侵入性脑机接口更好的性能;然而，他们需要更多的通道来获得更详细的信息，关于神经元在分布的皮层区域的单个峰值活动。埃隆·马斯克和Neuralink的论文中报道的设备接近于解决这个问题。

非侵入性脑机接口最有前途的应用之一是监测、控制和训练人的心理生理状态和认知能力。在这类研究中，受试者的精神状态通过被动脑机接口持续评估。被动脑机接口分析用户当前的大脑活动，不以控制命令生成为目的，并提供与注意力、情绪状态、疲劳等相关的实际大脑活动特征的信息[10］．这些起源于皮层水平的自上而下的过程具有空间分布和相对缓慢的特点，因此在无创脑电图和功能性近红外光谱信号上具有明显的标记。

然而，在空间定位神经元活动的情况下，非侵入性技术无法实时识别神经生理疾病的显著特征，因此，需要将电极插入特定的大脑区域。例如，为了预测癫痫发作，必须从预先确定的大脑焦点区域记录神经元活动，在这些区域，这种病理活动的早期表现最为明显，可以及时检测到[11］．最近，一种基于脑电活动的癫痫预测方法被提出[12，13］．该方法可以在发生前5秒预测病灶发作。这段时间足以让脑机接口产生适当的信号，从而抑制即将发生的癫痫。对于耐药患者来说，通过预测癫痫发作的脑机接口/脑机接口，结合干扰导致癫痫发作过程的系统，可以完全消除癫痫发作。因此，由于发病脑区的神经过程信息不足，癫痫预测仍然是一个未解决的问题。因此，Neuralink技术的一个可能且非常重要的临床应用是为耐药癫痫患者提供脑机接口。这些脑机接口应该暗示大脑刺激(电、磁、光遗传等)来中断甚至防止癫痫发作。刺激可以以开环或闭环的方式传递到大脑。在前一种情况下，没有必要监测当前的大脑活动，因为刺激是手动激活的或根据预定义的刺激协议。

作为开环系统的一个例子图1a，我们展示的是Cyberonics公司(美国德克萨斯州)1977年生产的迷走神经刺激器。刺激器包含一个可植入的脉冲发生器和一个电极，以重复的“工作周期”(“开启”30秒，然后“关闭”5分钟)刺激左侧迷走神经，从而使癫痫发作次数平均减少30%-40% [14］．除了迷走神经刺激器，其他开环抗癫痫装置也用于脑深部刺激。美国美敦力公司(Medtronic, Inc .)针对部分发作性癫痫患者提出的癫痫丘脑前核刺激器是最早的开环深度脑刺激器之一[15) (图1b)。

虽然开环系统能够显著减少癫痫发作的次数，但很明显，更有效地控制癫痫活动需要持续监测当前的大脑活动，这可以通过使用闭环脑机接口实现。最早的闭环脑机接口之一是由Neuropace公司(California, United States;图1c).它包含了用于记录算法使用的颅内脑电图的植入电极，该算法确定了癫痫发作的开始时间。为了中断癫痫发作，触发的局部电刺激被发送到特定的大脑区域[16］．

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重要的是要指出，癫痫发作可以很好地通过皮质电描记术或颅内脑电图检测到，它们显示出明显的高振幅节律性活动标记。最近的研究报告称，该技术在检测大鼠癫痫发作时准确率为100% [17］．由于癫痫发作前的活动可能与正常行为没有区别，因此预测癫痫发作是一项非常具有挑战性的任务。虽然现有的算法可以高灵敏度地预测癫痫发作，但它们太过复杂和太过具体，无法用于临床[18］．一种预测和预防癫痫发作的闭环系统最近在大鼠体内进行了测试[11) (图2)．癫痫发作预测算法是基于皮层和丘脑的三个电极记录的皮质电描记信号，如图所示图2a.脑机接口能够正确预测45%的癫痫发作，但错误预测的数量在动物中每小时从20到100个不等。在这方面，我们可以预期，由Elon Musk和Neuralink开发的数千个通道的技术将显著改善癫痫预测。大量的注册通道将提高癫痫前状态识别的分类准确性，减少光慢波睡眠时的假阳性数量。这确实是迈向耐药癫痫的下一代脑机接口的一步。基于多通道Neuralink技术的精确癫痫预测算法能够预防持续发作，并保护患者免受误报警引起的不必要刺激。由于开发了具有数千个通道的脑机接口平台，有望在解决这一重要问题上取得重大进展，使对药物治疗产生耐药性的患者能够进行新的临床试验。

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与空间定位皮层源相关的另一种脑动力学是运动相关的神经元活动。这一问题具有重大的社会影响。如今，大多数脑机接口和脑机接口都是为患有严重运动障碍的患者设计的。脑机接口允许残疾人控制轮椅、外骨骼和机器人操纵器，通过运动想象诱导的大脑运动皮层活动的自愿变化产生命令。例如，这些脑机接口用于在二维空间中控制光标或轮椅，目的是移动左手或右手[19］．然而，这种用于运动控制的非侵入性脑机接口的性能受到少量命令的限制。对动物的研究，主要是对猴子的研究，已经证明了对皮层神经元活动进行侵入性登记的有效性，可以创建一个有效的脑机接口来控制更复杂的动作。2008年，一个侵入式界面被实现，它允许猴子控制拟人化的机械手[20.］．在实验中，猴子大脑皮层15-25个单元的信号被记录下来，用来控制机械臂自己进食。猴子完成了连续的自食任务，平均成功率为69.5%。控制下肢的侵入性界面也得到了类似的结果[21或双手同时(双手动作)[22使用皮质活动模式。

需要注意的是，侵入性脑机接口的使用使得四肢瘫痪患者可以使用机械臂机械手执行到达和抓取任务[23］．同时，由于手术困难和生物相容性问题，人体脑机接口实现仍未应用于临床实践。在这种情况下，所提出的神经外科机器人可以被认为是迈向人体植入的重要一步。该机器人的一个显著优势是它的快速操作，每分钟可插入6个电极线程，此外它还能精确插入最生物相容性的聚合物探针。脑机接口的另一个潜在临床应用可能是恢复因退行性疾病(如阿尔茨海默病)而失去的神经元连接，或用人工神经元替代死亡的神经元。目前正在就这一问题的多个方面进行全面研究[24］．

最后，我们想提请注意神经活动调制在下一代脑机接口中的重要性。这种可能性对于神经修复术等应用是至关重要的，以提供生物反馈，如触觉[25]，以及针对耐药癫痫患者的新治疗方法，以通过适当的电刺激防止持续发作[26］．鉴于上述情况，本文作者强调了他们的定制电子设备能够向每个通道发送电刺激，但不幸的是，没有在论文中展示这些结果。作者计划如何向细胞传递电脉冲并同时记录神经活动，这将是很有趣的，特别是，刺激是否保留了同时记录神经活动的潜力，同时将刺激诱导的伪影的影响降到最低。如果这个问题得到成功解决，就有可能以连续的方式与神经活动相互作用，而不是以离散的闭环方式用电脉冲刺激神经元。如今，这是通过光基因脑刺激实现的[27，28]在混合光电接口的帮助下[29这被认为是光遗传学相对于电刺激和记录的实质性优势。

植入装置临床应用的主要障碍之一是其低生物相容性，不允许长期记录。埃隆·马斯克和Neuralink公司利用一种生物兼容的聚酰亚胺来解决这个问题，这种聚酰亚胺封装了一层金薄膜。通过选择导电材料，人们必须在阻抗和生物相容性之间进行权衡。作者用聚苯乙烯磺酸盐和氧化铱测试了聚乙烯二氧噻吩掺杂聚合物，前者的阻抗较低，而后者的生物相容性较好。他们承诺将继续朝着这个方向研究，并将他们的技术和过程扩展到其他类型的导电电极材料和涂层。

最后，但并非最不重要的是，我们应该注意这项工作的不愉快的后果，因为人类的每一项成就都有两面性。一方面，它旨在提高生活质量，但另一方面，它可以被不择手段的人用来实现他们自私的目标。因此，每个科学家不仅应该考虑他/她的研究的积极影响，也应该考虑它可能产生的消极影响。将电极植入人脑的脑机接口带来的负面影响之一是，政府或非政府组织不仅可能通过大众媒体，还可能通过直接向大脑发送命令来控制和操纵人的行为。在这方面，关于使用脑机接口的伦理性的争论目前正在媒体中进行。

总而言之，埃隆·马斯克和神经链接公司的新型神经接口很有可能成为下一代脑机接口的真正一步，无论是研究还是临床应用。侵入式接口可以帮助残疾人控制外部设备，并与他人进行通信。我们相信未来的通信技术将基于脑机接口，它将读取大脑信号并将其翻译成信息，然后将其发送到移动设备或其他设备。此外，侵入式脑机接口将允许人们通过他们的思想进行直接交流。