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兩年前，即：2019年7月17日，馬斯克與其旗下神經(jīng)技術(shù)公司Neuralink宣布，已實現(xiàn)神經(jīng)外科機(jī)器人將直徑幾微米的“thread”（“線”狀探針）植入實驗鼠腦部，通過定制芯與外部設(shè)備通訊。該項目基于ASIC、運(yùn)放、ADC、FPGA等技術(shù)手段實現(xiàn)，已成功實現(xiàn)多通道同步讀取、放大腦信號并傳輸處理。

以往的研究已經(jīng)可以實現(xiàn)神經(jīng)假體控制電腦鼠標(biāo)、機(jī)械臂等，但是這些研究使用的電極數(shù)量沒有超過256個，這些電極數(shù)量有限，并且只放在大腦皮層，難以記錄數(shù)以萬計的神經(jīng)元活動信息。

并且，很多植入大腦的電極是剛性材料，比如金屬或者半導(dǎo)體，而Neuralink報道其使用的是柔性的聚合物探針，有助于緩解免疫反應(yīng)，減小腦組織損傷。

為了讓柔性探針更容易植入大腦，該研究團(tuán)隊還開發(fā)了一套完整的外科手術(shù)機(jī)器人，可以實現(xiàn)每分鐘植入6條“線”狀探針，每條有32個電極（electrode contacts），即每分鐘可以植入大約192個電極。

金電極材料使用結(jié)構(gòu)簡單、能隙小、電導(dǎo)率高聚合物PEDOT和IrOx（氧化銥）來降低電生理學(xué)的阻抗，增加表面有效電荷承載能力，PEOT阻抗低，但是長期的穩(wěn)定性和生物相容性卻不如IrOx。

這些線狀探針的主基板和介質(zhì)是聚酰亞胺，上面有金薄膜線。研究團(tuán)隊設(shè)計了薄膜陣列，每個陣列包含了“線”狀探針區(qū)和“sensor”傳感器區(qū)，“線”用來采集原始信號，“sensor”區(qū)域集成了信號放大和ADC模塊。

研究團(tuán)隊使用了晶圓級的加工工藝，一個wafer晶圓上有10個薄膜設(shè)備，而每個薄膜設(shè)備具有3072個電極。這些“線”以 (16 × 50) 平方微米的環(huán)結(jié)束，以適應(yīng)針穿線。下圖中每條“線”具有32個電極。

這種高密度通道微弱信號采集（3072通道@<10μVRMS），需要把放大器和數(shù)字化模塊集成到薄膜陣列，否則對連接器和線纜要求將會非常嚴(yán)格。

研究團(tuán)隊設(shè)計的系統(tǒng)使用了12個ASIC，每個ASIC包括256個獨(dú)立的可編程放大器，每一個被稱為模擬像素，集成片上ADC、接口控制電路，放大器（模擬像素)可以高自由度配置，可以校準(zhǔn)增益和修改濾波器屬性，adc采樣率19.3Khz@10bit，每個像素功耗為5.2uW，ASIC功耗大約6mW。

這些ASIC組成的系統(tǒng)中還包含一個FPGA，實時的溫度、加速度和磁場檢測傳感器，使用USB C接口進(jìn)行有線數(shù)據(jù)傳輸，整個系統(tǒng)被包裝在鈦金屬外殼中，并涂有派瑞林 C來防潮層并延長使用壽命。

連接以太網(wǎng)的基站將來自這些systems的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為 10G  UDP 數(shù)據(jù)包，允許下游用戶以多種方式處理數(shù)據(jù)，例如實時可視化數(shù)據(jù)、存儲等功能。

然而這些“線”狀探針，又軟又細(xì)，為了便于安裝以及減小出血，降低免疫反應(yīng)，研究團(tuán)隊還設(shè)計并制作了專用外科機(jī)器人。機(jī)器人上的needle紉針由線性馬達(dá)驅(qū)動，插入速度可調(diào)，可快速拔出，可以讓紉針與線狀探針迅速分離。pincher夾鉗是50um的鎢絲，在尖端被彎曲，可以水平和旋轉(zhuǎn)移動，用來支撐和引導(dǎo)穿針引線。

inserter head植入機(jī)頭有6個獨(dú)立的光線模塊，每個都能夠用 405 nm、525 nm 和 650 nm 或白光獨(dú)立照明。405 nm 照明激發(fā)來自“線”主基板聚酰亞胺的熒光，定位 “線”上(16 × 50) 平方微米的螺紋環(huán)。用 525 nm 光照射可以精確估計皮質(zhì)表面的位置。

機(jī)器人將插入部位注冊到頭骨上公共坐標(biāo)系，當(dāng)與深度跟蹤相結(jié)合時，可以精確定位大腦結(jié)構(gòu)信息。該系統(tǒng)可以預(yù)先選擇所有插入位置，從而能夠規(guī)劃、優(yōu)化插入路徑，以最大程度地減少線的纏結(jié)和應(yīng)變，盡可能避免血管出血。機(jī)器人具有自動插入功能，每秒插入6條“線”（192 個電極），插入成功率：87.1 ± 12.6 %，并且兼容無菌罩，可以超生清潔紉針。

同時，也可以人工干預(yù)機(jī)器人微調(diào)插入精度，避免微出血，微調(diào)后插入速度略降低，每分鐘大約29.6條“線”。下圖是植入機(jī)器人把“thread”插入“瓊脂果凍”的過程。

為了讓實驗鼠自由活動，研究團(tuán)隊使用了換向電纜，并用在線檢測算法實時處理數(shù)字信號來識別尖峰動作。

該設(shè)備是馬斯克實現(xiàn)其腦機(jī)接口夢想的初號機(jī)，后續(xù)可以拓展到人體實驗，實現(xiàn)腦信號的讀取甚至是雙向通訊，21世紀(jì)，是腦科學(xué)的世紀(jì)。在不久的將來，腦科學(xué)又會帶來哪些震驚世界的突破呢？讓我們拭目以待

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