让盲人重见光明？聊聊Neuralink和视网膜脑机接口

在头骨上钻个孔再植入一枚芯片，人机互通之后，你可能将拥有以前没有的“超能力”，你愿意吗？

对于普通人来说，脑机接口一直是一个充满着科幻感的神秘概念。而近年来，随着技术的进步，“人脑与机器交互”的未来正在走入现实。其中，马斯克与多名科学家一同创办的脑科学公司Neuralink的相关进展备受关注。

从2019年开始，Neuralink先后公布了其在猴子、猪身上所做的脑机接口的实践，每一次都能引起巨大轰动。而就在今年1月29日，马斯克宣布Neuralink首次将芯片植入到了人类大脑之中。他还表示，未来脑机接口技术将运用到帮助瘫痪患者恢复运动功能，治愈帕金森病、阿尔茨海默病等脑部疾病，以及帮助恢复失明患者视力等领域。

图片来自马斯克X个人账号

人类大脑是世界上已知的最先进和最复杂的器官，但随着一代又一代科研工作者的努力，关于大脑的诸多谜团如今也正在被慢慢揭开。本期节目，我们邀请到了斯坦福电子专业博士在读、从事视网膜脑机接口系统设计研究的Pumiao Yan，她的合作导师Krishna Shenoy就曾亲自帮助一位69岁高位截瘫的患者进行过脑机接口的手术。

那么，相比过去的脑机接口技术，Neuralink有哪些不同与进步之处？人类离让盲人重现光明的真正应用还有多远？下面，让我们一起走进脑机接口的世界去一探究竟。

一、Neuralink技术的进步与不同之处

硅谷101：关于脑机接口和脑电波的研究其实已经持续了很多年，你的导师Krishna Shenoy也曾亲自为一个 69 岁高位截瘫患者做过脑机接口手术。我们了解到过去的脑机接口主要是基于一种叫做犹他阵列的技术，那么相比于此前的技术，Neuralink和新一代的脑机接口公司做芯片植入的原理跟过去的犹他阵列有什么不同吗？

Pumiao Yan：的确关于脑机接口的研究可以追溯到上世纪 50 年代了，最早的技术就是以犹他阵列为主。犹他阵列是为数不多的FDA（美国食品药品监督管理局）已经批准可植入到人体的技术之一，并且允许能做长时间甚至超过10年的植入。但犹他阵列技术存在几个问题：首先，它的电极的大小要比现在的这些技术大很多，所以会导致很多如神经的疤痕增生等排异反应。此外，犹他阵列的形态是不能够做到完全可植入的，也就是说植入之后脑上还会有一个接口，每次在读取大规模数据的时候需要接入一个接线，然后才能够去做后面的解码。

Neuralink目前则是在几个纬度上向前发展了。首先他们让神经微纤能够大规模地植入到人脑，目前已经做到了上千个电极的规模，这样就能够获取到更多阵列信号、跟更多的神经细胞进行交互，从而能够实现的功能也就更多。另外就是从工业的角度，他们能够做到完全封装，并以稳定器件的形式完全植入到大脑，因此也减少了很多的安全风险，这是他们花了很多精力去做的。

硅谷101：也就是说以前脑机接口的信号可能不够稳定，但新一代的脑机接口的技术的信号更加稳定清晰，此外就是技术的安全性相比于犹他阵列更好，对吗？

Pumiao Yan：目前只从排异反应的角度来说是这样的，实现完全封装能解决一些如炎症反应或者是感染的风险，相比半侵入式来说一定是减少了一部分的安全隐患。但并不能够保证现在Brain chip是完全安全的，新技术是否会带来其他问题，这个可能还要再继续观察，看它有没有后续的长期实验报告。

硅谷101：脑机接口目前包括非侵入式、侵入式、半侵入式等几种不同模式。非侵入很好理解，就是没有任何伤口，而是通过在脑部贴32~64个传感器。侵入式也很好理解，就比如Neuralink这种挖掉一小块头骨再埋入芯片。那么，半侵入式是什么呢？

Pumiao Yan：半侵入式简单来说就是还是会需要手术，无论是微创手术还是大型的开颅手术，但它不需要电极深入到你的大脑皮层里面，而是产生一种脑皮层电极，相比完全侵入，它产生的信号没有那么高的信噪比，信号质量相对来说要弱一点。目前还有一种比较新兴的半侵入式技术叫介入式脑机接口，就是通过大的血管去把一个网状的电极附着在这个血管周围。

硅谷101：我们知道最近Neuralink宣布首次实现了人体实验，那么这次植入人体的是一个什么样的设备呢？跟以前的设备比好在哪里？因为我知道你是做视网膜芯片的，也做硬件相关的设计。

Pumiao Yan：其实每次Neuralink网站上都会做很好的图解，这次植入芯片叫The Brainchip，整个大小大概和一个硬币差不多。设备内部的核心是它的接口芯片CMOS chip，能够支持大规模的读取芯片去进行信号采集、信号处理以及传输等。再往上就是有一个电池进行整个系统供电，然后再把它们整体封装起来。在做脑机接口的植入的时候，会把你大脑的颅骨切开一个跟设备比较接近的、硬币大小的空口，然后把这个设备固定在里面，再对接到它的电机上。

图片来自Neuralink官网 

跟以前的设备相比，他们这次把设备做得更小、更紧凑、更精确。另外，因为他们花了很大的精力去研发手术机器人，所以目前也能够在很短的时间内做大规模的上千个电极、可能对应几十个微纤的精确植入，并且能够批量地完成。也就是说，在手术机器人的帮助下，未来在做这种类型的脑肌接口手术的时候就可以不再完全依赖于某个经验丰富的医生，而是由机器来完成。这其实也是创业公司会考虑的事情，因为他们的人员流动性相对比较大，他如果想要对成百上千的患者进行手术，就不能只指望某一个医生一直来做所有的事情。

硅谷101：那这次的植入他们想要实现的也是让病人用意念来打字吗？

Pumiao Yan：他们这次的植入更多的是先看植入以后的稳定性，就是证明能够做人体实验。首先可能还是会从能不能够读取信号、以及这个信号的稳定性怎么样开始，接着再看这个患者能不能够做屏幕打字或者是鼠标控制这种简单的任务，然后再去慢慢地做更多。这次的人体实验比较里程碑式的地方更多的在于它的安全性，以及它的设备稳定性。

硅谷101：除了Neuralink之外，Synchron公司是通过血管来做脑机接口，把一个设备打到血管里面。这种方式相较于Neuralink的脑部接口的方式有什么不一样呢？

Pumiao Yan ：这其实就是我刚才讲到的这种介入式的设备，也是属于半侵入式。它是直接通过微创手术，把一个网状的电极附着在大血管上，然后从大血管里面到脑部。但这种方式的植入的位置会受到血管位置的控制。只能够沿着血管，而不能更精确地达到大脑皮层的某一个功能区，因为那个地方可能只有小血管。此外Synchron 这种网状电极，目前所看到的电极数量相比Neuralink要少一些，它能够对应到的附近的细胞也就相对来说要少一些。

二、脑机接口如何能让盲人重见光明？

硅谷101：你现在的主要研究方向是视网膜的脑机接口，目标是让一部分失明的人通过脑机接口技术看到光明。能不能讲讲现在的研究进展到哪一步了？我们距离让盲人重见光明还有多远？

Pumiao Yan ：我读博的课题是人工视觉。原理其实就是把一个类似于脑机接口芯片的电极植入到视网膜上面，我们叫视觉解析，也就是把之前对光感的细胞会产生的电信号用脑机接口去模拟出来，在视网膜上采集到对应的电刺激以后再传输给大脑。

我之所以选择做视网膜研究，包括现在更多的创业公司也开始做视网膜研究的一个很大的原因在于，视网膜在完全离体的48 小时之内可以保持存活，我们有很多的研究可以只针对视网膜组织去进行实验、刺激，然后看它的反应，所以我们对于视网膜的了解要更精确。很多人可能会简单地认为我们的视网膜和一个相机很像，但其实不是的，我们的视网膜其实有不同种类的神经细胞。比如有些视网膜细胞只对光的增强有反应，有一些只有变暗的时候才会有反应，或者只针对一些动作才会有反应。所以当我们想去复制和模拟视网膜的信号的时候，我们要更多的研究能够怎么样分类这些视觉细胞，然后对应地去进行刺激。这就像是在指挥一个交响乐团。现在国际上已经有几个组开始做人体实验了。

硅谷101：视网膜的脑机接口是直接把芯片植入到眼睛里吗？

Pumiao Yan：其实是分两个大的不同方向，有些组会选择直接对视觉的大脑皮层进行刺激，带来的效果可能更多的是能够看到光点或者是光柱。但如果想要做更精确的，比如我们组对重见光明定义是能够重新看到你的亲人伴侣，所以如果想要这种级别的精度的话，以目前的技术来说，就只能靠针对直接在视网膜上的这种脑机接口能够去实现这种级别的精度。其实现在的很多人体实验已经实现像读书、看到字母这个级别。

硅谷101：实际上马斯克对Neuralink也是有几个阶段的设想。最初他产生做这家公司的想法是来源于他觉得我们可不可以用意念直接去打字，而不用通过手机这么麻烦，所以一开始他做脑机接口的方向就是要用意念去打字，用意念去控制机械手臂，或者让高位截瘫的人他能够控制自己的四肢。除了在头骨上去做的脑肌接口，他之后好像还想在脊髓上去做脑机接口来恢复人的运动能力。但在 2022 年 11 月底的一场发布会上，他又提到的Neuralink新的方向就是要去做视网膜的脑机接口。你刚刚也提到了目前视网膜的脑机接口研究有不同的几个方向，那么Neuralink是属于什么方向？

Pumiao Yan：Neuralink属于还没有开始做。但有一部分Neuralink的原始员工现在独立出来做了一个叫做Science Corp的创业公司，他们现在更专注于做视网膜芯片。其实生物医疗方向的创业本身跟创业这个模式还是有一定的矛盾。很多创业在拉到融资之后，就需要在短期内做出一个成果，但涉及到医学实验和硬件开发的时候，节奏就不太可能像做一个 APP这么快，尤其是三期实验这种长期的工作。医学医疗方向是很严谨的，首先需要验证它的安全性，就算是验证安全，还需要有1-2年的观察期。所以像我之前去参观 Science Corp，他们的节奏就要慢很多，大家的理念不太一样。

图片来自Science Corp官网 

硅谷101：关于植入人体的芯片设备，这些设备是由什么材料组成的？嵌入到人体会有安全性风险吗？

Pumiao Yan ：所有的这种可植入设备，不管是做心脏支架还是什么，更多的其实是涉及到材料的安全性问题。比如Neuralink这次植入的这个芯片，它外面也是进行完全封装的，所以它只用保证封装的这个材料、也就是真正跟人体接触的这个材料是完全安全的， FDA批准就没有问题。一般他们采用的封装材料都是此前已经被FDA批准过了的。

而这次完全植入的人体实验，大家更关注的其实是在于它的封装效果怎么样。就比如我们现在用的手机还有手表都涉及到一个防水功能的问题，那这次他们植入的芯片里的CMOS芯片其实对水或是对湿度的敏感性非常高。以前很多问题都出在这个上面，包括我们之前聊到视网膜芯片，其实从10年就有几家视网膜相关的脑机接口创业公司，但最后全部都是因为封装问题而倒闭了。因为一旦没有封装好，随着时间的推移就会有水分子侵入，或者是甚至更严重的情况有脑液去腐蚀它，发生渗入之后芯片就不能工作了。所以目前最关键的其实是封装材料和封装技术。

硅谷101：这次植入大脑的芯片是蓝牙传输的，它需要充电吗，如何充呢？

Pumiao Yan：需要。从Neuralink现在公布出来的消息的话，它采用的是硬币大小的电池，充电模式和Mega safe有点像，就是用微波无线传能进行充电。电池可以使用 11小时左右，然后就需要再次重新充电了。不过没电也没有太大影响，就只是导致脑机接口不可用，但假设电池坏掉了，就需要取出来。其实电能问题也是为什么这么多年没有很多人去尝试做完全产品化的创业公司。像视网膜芯片大部分都是选择无线传能，没有办法放一个电池进去，因为无法保证电池可以使用多长时间，反复充放都没问题，如果想要换电池的话，就必须要再做手术。

三、脑机接口的安全性争议

硅谷101：说到安全性，之前Neuralink其实是有爆出来一些负面新闻的。比如在做猴子实验时一些猴子出现了比较诡异的反应，有一些猴子会直接抓挠头部表现出很痛苦的表情，而且有消息称有几只猴子很快就让他们安乐死了。关于他们的实验情况，现在有没有什么公开的材料来披露其中的安全风险？

Pumiao Yan ：截至目前其实还没有任何公开的消息。但即便是从学术实验研究的角度来说，做猴子实验的首先我可以想到的就是这种手术本身肯定会有术后的恢复疼痛，以及比如说像癫痫反应这种情况的发生。这一直都是一个脑机接口还没有完全解决的问题，之前很多人就会担心植入这个脑机接口产生的电刺激会不会导致癫痫以及一些排异反应。关于导致Neuralink猴子实验出现这些问题的确切原因目前还不太清楚，但很多人还是对这种赶工期的做法持观望态度，它和学界这种非常严谨求证的方式可能是有一点矛盾的。

图片来自Neuralink

硅谷101：你的导师之前做的那个病人现在的恢复情况怎么样？他还在使用脑机接口吗？

Pumiao Yan：那个病人本身已经高位截瘫很长一段时间，目前已经有10年以上的植入的经历。他目前更多的是在一个实验设计条件下去做一些对应如打字、鼠标控制的操作，但在生活中可能还没有达到我们想象的那种情况，而是作为我们实验的志愿者在持续帮助我们做研究。

硅谷101：像 Neuralink 这类比较前沿的公司，它会跟大学的实验室有大范围的深度合作吗？

Pumiao Yan：有一些教授自己想要做的创业公司肯定就会和学校有很密切的关系。但很多的创业公司来找高校教授其实更多的是出于在领域内的相互背书，就是有专家了解你的技术，也认为你的技术是可行的。因为如果想要去找VC融资，还是需要一定的就是行业内的认可。

四、斯坦福大学关于脑机接口的研究

硅谷101：非常遗憾听到你的导师 Krishna Shenoy此前因癌症离世的消息。过去这些年，Krishna Shenoy一直是脑机接口领域的最权威专家之一，他此前的主要研究方向是什么以及对脑科学领域有着哪些贡献？

Pumiao Yan：我的导师是在2000年前后加入斯坦福的，那个时候其实脑机接口还并不是一个受人关注的热点领域。甚至当时他在我们电子系申请教职的时候，学校都有一点不确定这到底是属于神经学还是属于电子领域。所以他后来很多的工作都是围绕着搭建脑机接口的实验平台展开，致力于研究大脑神经对运动中枢的控制模型以及相应的理论研究和实验。最近这几年他开始转向语言中枢，也是最早开始做写字解码的研究者，后来关于语言中枢的大规模实验基本上都是他在领导。

硅谷101：所以目前脑机接口分类还挺细的，包括运动中枢、语言中枢、视觉中枢等。那斯坦福现在研究脑机接口主要分为哪些板块呢？

Pumiao Yan：因为脑机接口是一个存在很多学科交叉的领域，所以下面的细分类别很多。比如我现在的合作导师，他以前就是纯做眼科学只专门针对视网膜进行研究，后来才转向做视网膜的脑机接口。我将来毕业还是算在电子工程的博士，但是我真正日常做研究的合作者其实有很多是神经科学方向以及眼科的导师。

但其实每个组都会有一个比较专精的方向。有很多组偏向于理论研究，比如猴子实验、模型研究，有一些组更倾向于去做新的中枢，像Krishna虽然他离开了但lab 还一直在，这几年技术开始支持大规模的数据采读之后，他们很多人就在做语言中枢和更大规模的大脑皮层的研究。另外如果把脑机接口的系统拆开看的话，下边就有更多的分类。比如很多化工专业、材料专业方向的组在做纯光电极，主要是研究到底怎么样的材料能够更微创，或者是什么样的材料能够更柔软，更能够减少疤痕组织的产生，信号能够更稳定，包括怎么能够把规模做得更大，或者是做得更精确等等。就我自己本身来说我们组是做芯片设计的，所以我最早的出发点可能更多的是在数据采集、信号处理的角度去研究脑机接口大的系统。而接下来封装、植入等又会分别涉及到单独的研究领域。

硅谷101：所以我们看起来是一个手术，但它其实可能横跨了很多个学科。

Pumiao Yan：是的，关于脑机接口的研究的范围是很大的，目前斯坦福计算机系对面那栋楼基本上大家都或多或少是在做这个方向。

五、人类对大脑的认知进展

硅谷101：挺好奇的一个问题，就是目前我们对人类大脑的理解到底有多少？

Pumiao Yan：想要做脑机接口，就一定要对神经有基本的了解，也一定会去学一些神经学的课。当大家随便拿出任何一本叫做神经学原理或者这种类型的教科书的时候，它都是非常厚的一本书。当时Krishna就开玩笑说，我们要是真的知道神经的基本原理，这本书就不会这么厚了。

其实现在学界对于最微观层面的一个神经细胞甚至它的整个蛋白质通路都很了解了，对于小规模的神经回路也是了解的比较好的，以及跳到非常宏观层面大的分区也是有很多了解。但是中间层这部分，就比如说一些神经细胞和运动中枢到底实际上是怎么样的一个对应关系，以及一个个针对的机理，其实还是并不是很了解。之前马斯克一开始想要拉融资的时候他曾经讲到，Neuralink想要做的事情是你能够把一本书直接下载到你的大脑里。这其实涉及到人的记忆系统，或者是人的学习功能到底是怎么形成的。但这个问题其实学界到现在都没有那么确定能在一个细胞的这个级别了解这个过程到底是怎么样的，所以这也是为什么当时很多人觉得他的这个愿景讲得非常宏大。

硅谷101：人脑有 860 亿个神经细胞，但是目前能够采集到的电极都只有几百上千的规模。所以目前我们对神经细胞的了解可能还只是九牛一毛。

Pumiao Yan：是的。就是我可以微观地看一个，或者是看一片谁亮起来了，但是连接还没有建立，更不要说证明因果关系了。所以这也是为什么我觉得现在是科学技术和理论研究的相辅相成。因为我们如果想要再往前去对大脑的理论有新的了解，肯定也是需要技术能够采取更多的数据去帮助理解大脑的功能和内部的工作方式。

硅谷101：那从目前我们开始研究脑机接口到揭开大脑的一部分原理去真正治病，比如说治疗阿兹海默症或抑郁症，它还有多远呢？

Pumiao Yan：这个可能还是要分疾病种类。比如针对癫痫，现在有很多的创业公司现在其实已经做得挺不错的了。但不同种类的精神疾病，因为它的成因不同，所以方向也不太一样。比如抑郁症的成因可能是维生素缺乏或者是多巴胺分泌的中枢出了问题，脑机接口也不是能够解决所有问题。不过对于脑机接口在这个领域的应用我整体还是很乐观的。比如在上个世纪，我们对于神经系统的了解还非常非常少，但科学家能够做听觉的人工耳蜗系统，帮助很多的聋哑患者恢复他们的听觉，所以其实这个过程也是在一点点推进的。

硅谷101：你自己对大脑最好奇的一个问题是什么？

Pumiao Yan：我比较好奇当我们在做一些逻辑运算的时候，到底大脑究竟是怎么工作的。电脑和人差别最大的点在于所有的数字电路它的这个逻辑是非常清晰的，但比如在解答25*25到底等于多少这个问题的时候？大脑究竟是一个完全的逻辑计算，还是有多少是记忆功能参与的，这些都是还未知的问题。

硅谷101：你觉得在你的研究领域或者你知道的这些跟大脑相关的研究领域，未来哪些技术是最有可能引发脑科学研究突飞猛进的一些技术奇点呢？

Pumiao Yan：我可以围绕我现在研究的领域来聊一下。针对视网膜，如果想要跟每一个视网膜上的神经细胞去做一对一刺激的话，可能需要上万甚至上千万的细胞，才能够做到一个像素比较不错的视觉表现，这就涉及到一个数据采集的问题，也是我目前正在研究的方向。这具体会要求我们对系统进行统筹规划和制定采集策略，然后才能去设计硬件芯片。如果能在这个方向有所突破的话，就能够真正的做到能够对上千上万的细胞同时进行采集和研究。

但我觉得涉及到硬件和生物医疗，一定是一个长周期、高投入的事情，这个周期可能会在 10年到15年以上。比如我们现在的课题已经做了有六七年的时间，到现在芯片是可以工作的，接着就要开始考虑下一步怎么去进行人体实验。但这个过程对人力和资源的要求其实是很大的，如果纯靠学界十几个人的科研项目组是有一定的困难的。这也是为什么现在大家对于 Neuralink、Science Corp 这样的公司有非常高的期待，希望当他们得到了足够多的资源支持之后，能够有所突破。

硅谷101：所以对于创业公司来说，他们需要解决如果10到15年技术不能商业化，要如何去融资拿钱的问题。

Pumiao Yan：是的，这个是一个很大的问题，这也是Neuralink现在的一个矛盾所在。因为从学界的角度来说，所有的侵入式的设备它都要至少要符合医学的基本原则，就是必须要有这个需求才会做这种有伤害的手术。虽然说Neuralink有很多宏大的愿景，但它也必须要证明为什么是值得去做这个侵入式手术的，毕竟有这么多的手术风险。所以最早很多人都认为这个领域没有什么市场前景，主要原因就在于它是一个纯粹的生物医疗器械方向，它相应的经济效益可能和商用产品的经济效应就完全不是一种计算方式。所以我也很好奇是不是因为马斯克个人的号召力，才能够有这么多的资源投入进去，也希望他能够做得很好吧。

硅谷101：我觉得Neuralink做得挺了不起的一件事情是，他们其实一开始就不是在考虑说怎么只做一个人的人体实验，而是开发手术机器人，想用机器的方式让这件事情可以批量化。在他们的实验规划里，2024年他们大概希望进行11例的设备植入手术，2025年是27例，然后到2030年这个数字会超过22000人。

Pumiao Yan：这其实也是创业这个模式会逼着你去探索的一个方向。毕竟要拉到这么多的融资，他一定就要能够解决规模化这个问题的。

硅谷101：你同学毕业之后他们的去向都是去做什么了？

Pumiao Yan：看每个人的兴趣点。有很多同学会选择自己去做创业公司或者是加入这种大的创业公司去做Project Management。有些只对理论或者基础研究感兴趣的人会选择去向学术界。当然很多人也会选择去工业界，比如虽然我是做这种大规模的脑机接口的芯片，但其实很多的信号处理、信号采集的技术其实是完全可以应用到相机、Lighter system等其他的系统，只是不同的传感器而已。

相关补充信息：

犹他阵列（Utah Array）：是犹他大学的 Richard Normann 为了应用于视觉假体而发明的高通道数微电极阵列。随着时间的推移，它已经被神经工程界广泛采用。该阵列可从每个设备的多达 100 个通道收集神经信号。它是唯一一种在人体中具有长期稳定性和安全性的脑机接口植入物，迄今为止已在数十名患者构成的样本中进行了总计超过30000天的研究。犹他阵列已获得FDA的商业许可，可监测大脑中的电活动长达30天。

CMOS芯片：是一种低功耗、低噪声的集成电路技术，常见于数字电路和微处理器等电子设备中。CMOS芯片具有功耗低、噪声小、稳定性好等优点，另外还能快速切换电压状态。在移动设备领域，CMOS发挥着越来越重要的角色。例如手机摄像头和传感器便是基于CMOS技术制造。由于CMOS功耗非常低，因此可以轻松实现便携移动的设计。

Synchron公司：成立于2012年的新兴的BCI（脑机接口）创企之一。Synchron通过血管植入BCI，使身体瘫痪或活动能力非常有限的患者能够利用大脑操作光标和智能家居设备等技术，到目前为止，这项新技术已在美国的三名患者和澳大利亚的四名患者身上使用。2022年12月，Synchron宣布了一轮7500万美元的融资，其中包括来自微软创始人比尔·盖茨和亚马逊创始人杰夫·贝佐斯的投资公司的资金。

Science Corp：成立于2021年的新兴脑机接口创业公司，创始团队成员大多来自于Neuralink。目前的主要研究方向包括视网膜脑机接口，于2022年8月获得种子轮融资。

本文来自微信公众号：硅谷101 （ID：TheValley101），采访：泓君，图文：Daisy