【Wired】「神經顆粒」可能會是新一代的腦機介面

在未來,科學家也許可以透過分散在腦皮層表面的幾十顆微型晶片同時「收聽」大量的神經元。
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原文來自 Wired《‘Neurograins’ Could be the Next Brain-Computer Interfaces》,作者 Emily Mullin。台灣康泰納仕集團授權提供,由 Amber Peng 翻譯並經 INSIDE 編審

美國布朗大學的團隊開發了一種利用幾十顆微型矽晶片來紀錄並將大腦活動傳輸到電腦的系統,並將這些大小如鹽粒的晶片稱為「神經顆粒(neurograins)」。神經顆粒要盡量分散在大腦表面或組織中,如此一來可以比現今的植入物從腦中更多的區塊蒐集到神經訊號。

身為神經工程師的布朗大學專案負責人阿托・努爾米科(Arto Nurmikko)表示:「每顆神經顆粒都含足夠的微電子,只要鑲入神經組織中,就可以一邊『收聽』到神經活動,一邊將訊號轉出,就像迷你收音機一樣。」該系統又稱為「腦機介面」,此研究收錄在 8 月 12 號出版的《Nature Electronics》期刊。

除了布朗大學,貝勒大學、聖地牙哥加利福尼亞大學以及高通公司的研究員於四年前開始和努爾米科共同研究神經顆粒,並得到美國國防高等研究計劃署的經費。雖然目前只進行了老鼠實驗,但研究員希望這可以為將來的人體研究打下基礎。除了紀錄大腦活動外,神經顆粒也能用微弱的電脈衝刺激神經元,以利科學家研究治療腦部疾病或恢復腦功能的方式,例如癲癇、帕金森氏症和因傷引起的腦功能喪失。

該團隊在老鼠身上進行開顱手術,將 48 個神經顆粒植入腦皮層中大部分負責運動和感官的區域,而貼在頭皮上如拇指大小的貼片則做為外部的通訊中心,它可以像迷你手機塔台一樣接收並處理神經顆粒傳來的訊號,還可以為神經顆粒無線充電。

實驗在老鼠麻醉的狀態下進行,而研究人員發現神經顆粒可以實時紀錄昏迷中老鼠的腦部活動,但是這些訊號的品質並不如現今大部分腦機研究中使用的商業化晶片。腦機介面的研究從 1970 年代就開始了,近幾年來已經有少數癱瘓患者可以用腦波使用平板電腦、用更快的速度打字、移動機器手臂或滑鼠箭頭。

對於腦部或脊椎受傷的患者,該系統可能在未來恢復他們的語言和行動能力,讓他們可以更獨立地生活,不過目前腦機介面還不很實用,因為多數都需要繁瑣的設定,也無法在實驗室以外使用。而腦部植入物的幫助也有限,因為植入物一次能紀錄的神經活動較少。目前使用最廣泛的大腦晶片為「猶他陣列(Utah array)」,每片含有 100 根矽針,每根針的尖端都有一個電極可以插到腦組織中。猶他陣列大概跟一美分硬幣上的林肯的臉一樣大,每片可以紀錄植入區域周圍幾百顆神經元的活動。

但科學家想研究的許多腦功能,例如記憶、語言、決策都涉及廣泛分布在大腦不同區域的神經元所形成的網路。華盛頓大學的心理學副教授錢特爾・普拉特(Chantel Prat)表示:「要了解這些腦功能實際運作的方式,你必須進行系統性的研究。」普拉特並沒有參與本文中的計畫,她的主要研究項目是穿戴式的腦機介面,而非本實驗中使用的植入型。

能同時紀錄大量神經元就有機會加強運動控制和擴展大腦控制設備的可能性,研究人員也可以在動物身上研究不同腦區塊之間的溝通方式。普拉特解釋:「對於大腦研究而言,整體比部分相加更重要。」

猶他陣列的製造公司 Blackrock Neurotech 的共同創辦人兼總經理弗羅萊恩・索茲巴赫(Florian Solzbacher)表示,分散式的神經植入物在不久的將來可能仍不會是必需品,例如一些基本的運動功能或是操控電腦都不需要用到,不過若是恢復記憶或是認知功能等在較遠的未來才會實現的應用勢必需要更複雜的系統。索茲巴赫表示:「這種珍貴的技術寶藏可以紀錄整顆大腦從表皮到底層更多的神經元,但我們現在就要需要把它的潛力發揮到極致嗎?可能還不需要,不過如果是為了研究大腦和未來的應用,我們可以得越多的資訊越好。」

索茲巴赫繼續解釋,越小的感應器對大腦的傷害可能越小,雖然現今的裝置已經算很小了,還是可能在植入處造成發炎或是傷疤,他指出:「基本上,東西做的越小,人體的免疫系統越不會把它當作異物。」假設免疫系統偵測到異物,像是小碎片,人體會試著融解、破壞、或是用疤痕組織包裹起來。索茲巴赫並沒有參與本文的研究。

但索茲巴赫也提醒,雖然越小的裝置越好,但也不太可能百分之百安全。再微小的植入物都還是可能激起免疫反應,因此神經顆粒也必須用可與人體相容的材料製成。腦部植入物主要的挑戰在於減少對人體的傷害,和延長使用年限以避免開刀帶來的風險。目前的植入物大約可以使用 6 年,但是因為被傷疤組織作用很多都撐不到 6 年。

假如神經顆粒可以解決以上的問題,把它植入腦內仍是個挑戰。在老鼠的實驗中,布朗大學的研究員移除了老鼠一大塊的頭骨,但這很明顯的不宜使用於人體實驗。目前的植入物需要在患者頭部鑽洞,不過布朗大學的研究員想完全避開侵入性的腦部手術,因此他們開發了一種特殊裝置將神經顆粒刺入頭骨(Neuralink 也在研究類似的技術,他們用像是「裁縫機」的機器人把硬幣般的植入物放進腦部。)

實驗人仍必須在可自由行動的老鼠上進行測試以驗證神經顆粒的安全性和效期。接著他們想進一步在猴子上做實驗,最終,努爾米科希望能進行人體實驗,用 770 顆神經顆粒覆蓋人腦表面。

就算有了從神經顆粒取得的大量資料,解碼神經訊號仍不容易。布朗大學團隊希望能紀錄到幾千甚至幾萬的神經元,但取得資料後還需要解碼並轉換成指令,再由外部機器執行動作,而這整個程序需要的神經訊號處理已經遠超過現有系統的的能力了。

同時,努爾米科的團隊還希望進一步縮小神經顆粒,如此一來就算放入幾百顆的神經顆粒也只會造成極小的傷害。努爾米科指出這是一種微電子的問題並表示:「我們在做電影《親愛的,我把孩子縮小了》之類的事情。但是神經顆粒不可能馬上就發揮期望中的功能,因此你得繼續嘗試,這就是這整個研究過程中讓我們流血流汗又流淚的原因。」

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責任編輯:Chris
核稿編輯:Mia

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