最近，馬斯克的腦機接口初創(chuàng)公司Neuralink發(fā)布了最新的腦機接口進展，并引起了轟動。Neuralink最新公布的進展中，在豬的體內(nèi)植入了腦機接口芯片，從而能夠?qū)崟r讀出豬腦部的信號，之后有希望可以根據(jù)這些信號實時分析出植入對象的腦部活動，這給了腦機接口這一技術(shù)極大的想象空間，未來可望能使用在醫(yī)療甚至人體增強等領(lǐng)域。
腦機接口中的芯片
事實上，腦機接口中芯片具有極其重要的位置。去年七月，Neuralink的第一個發(fā)布會中的主角就是自研的N1腦部傳感器芯片。我們這里具體來談一下腦機接口中的芯片。
總體來說，腦機接口可以分為植入式和非植入式兩大類。從可以實現(xiàn)的功能和芯片的重要程度來看，都是植入式腦機接口遠遠強過非植入式腦機接口，因此這里我們討論的腦機接口以及芯片主要就是指植入式腦機接口中的芯片。
在植入式腦機接口中，芯片的主要功能是包括數(shù)據(jù)讀出和腦部激勵，此外為了保證方便和外界溝通還需要使用無線傳輸。
數(shù)據(jù)讀出的過程主要是指腦機接口從腦部讀取特定區(qū)域的信號，并且在芯片上做一系列初步處理，包括濾波等。具體多少信號處理在芯片上做，多少傳輸?shù)狡馔瓿蓜t取決于整個芯片的設(shè)計考量。例如，對于一些需要做快速反應的腦機接口芯片（例如檢測癲癇并快速介入），則需要把盡可能多的處理在芯片上實現(xiàn)，以滿足延遲的需求。此外，通常經(jīng)過芯片處理的信號比起原始信號的數(shù)據(jù)量會小，因此腦機接口片上處理部分和無線數(shù)據(jù)傳輸部分是一對重要的權(quán)衡對象：片上處理越簡單，則相關(guān)電路邏輯面積和功耗越小，但是需要無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就越大，無線傳輸部分的功耗壓力就越大；反之，信號處理越復雜，則功耗和面積越大，但是數(shù)據(jù)傳輸部分或許就可以更簡單一些。
功能上，除了數(shù)據(jù)讀出之外，腦機接口另一大重要的功能模塊是激勵信號部分。信號激勵是指腦機接口在腦部以合適的方法施加一個信號，根據(jù)應用的不同這個信號可能是電壓信號，光信號或其他信號。
最后，腦機接口中無線數(shù)據(jù)傳輸也非常重要，因為腦機接口需要與外界有一個數(shù)據(jù)接口用于數(shù)據(jù)傳輸和控制。Neuralink第一代腦機接口的原型使用的是有線數(shù)據(jù)傳輸，而到了今年的原型傳感器中就使用了基于藍牙的無線傳輸，可見無線傳輸對于植入式腦機接口的重要程度（畢竟植入對象不希望腦子后面時時刻刻都接著一大堆線）。
腦機接口芯片的應用
腦機接口以及芯片目前看起來雖然科幻，但是實際上已經(jīng)有了非常實際的落地應用，而這些應用主要集中在醫(yī)療領(lǐng)域。
腦機接口主要落地應用中，芯片主要起到一個形成神經(jīng)信號讀出-實時激勵-數(shù)據(jù)記錄讀出的閉環(huán)。例如，目前有大量的學術(shù)界腦機接口芯片關(guān)注癲癇治療。在這樣的應用中，首先需要腦機接口芯片的數(shù)據(jù)讀出能實時監(jiān)控讀出腦部信號，并且在檢測到腦部信號出現(xiàn)癲癇征兆時，就立刻用腦機接口的信號激勵產(chǎn)生一個和癲癇疾病異常電壓信號相反的信號，從而抵消癲癇疾病產(chǎn)生的異常信號，起到實時介入的作用。
另一個閉環(huán)腦機接口的例子是癱瘓病人的康復治療。植入式腦機接口芯片一方面可以讀出患者腦部對于行走的控制信號，另一方面可以根據(jù)讀出的信號在患者脊柱部分施加相應的信號，從而讓患者在經(jīng)過訓練后能重新獲得行走的能力。
除了包括讀出和激勵兩部分的閉環(huán)系統(tǒng)之外，一些腦機接口只用到讀出部分或只用到激勵信號部分。只用激勵信號的例子是Argus II系列生物眼，該系統(tǒng)在眼部的視覺神經(jīng)上植入激勵信號系統(tǒng)和無線信號傳輸系統(tǒng)，同時在外部的眼鏡上則使用視覺傳感器拍攝外部的環(huán)境畫面，并且將該畫面轉(zhuǎn)換為對應的視覺神經(jīng)信號傳輸給植入激勵信號系統(tǒng)，而激勵信號系統(tǒng)則施加相應信號激勵，從而實現(xiàn)讓視覺受損患者重新修復視覺的能力。該系統(tǒng)已于數(shù)年前通過臨床試驗并獲得美國FDA認證，可見實用化的腦機接口事實上離我們并不遙遠。
腦機接口芯片技術(shù)的難點
上文已經(jīng)介紹了腦機接口的常規(guī)組成部分和應用，那么腦機接口芯片技術(shù)的難點在哪里呢？
首先，從讀出部分來說，最難的在于如何以非常低的功耗做到低噪聲和低輸入失調(diào)。腦部信號的幅度通常非常小，在微伏級別，因此必須保證讀出放大器的噪聲和輸入失調(diào)都要比腦部信號的幅度還要小，才能實現(xiàn)高質(zhì)量的腦部信號讀出。這一點對于模擬電路的設(shè)計挑戰(zhàn)很大，尤其是在功耗受限的條件下。事實上，Neuralink N1芯片的主要指標之一也是噪聲，這也印證了該指標的難度和重要性。
其次，低功耗也是腦機芯片的核心難點。眾所周知，植入式的腦機接口芯片必須保證電池壽命，畢竟沒人希望過幾年就做一個手術(shù)去換一次電池。低功耗設(shè)計可以分成兩部分，即電路模塊設(shè)計的低功耗，以及電源管理。電路模塊設(shè)計需要使用各種低功耗設(shè)計技巧，以保證單個通道的平均功耗在微瓦數(shù)量級，而從另一個角度降低模塊功耗往往就意味著高噪聲，因此如何在功耗和噪聲之間做權(quán)衡是一個腦機接口芯片設(shè)計的核心要點。而低功耗設(shè)計的另一個角度就是電源管理，高效率的電源管理模塊可以降低電池能量的浪費并演唱電池壽命。此外，電源管理也包括無線能量傳輸?shù)刃碌募夹g(shù)，可以允許腦機接口芯片通過電感耦合的方式從外部獲取能量，從而可以實現(xiàn)腦機接口模塊的無接觸式充電功能。總體而言，腦機接口的低噪聲和電源管理是核心難點，同時也是目前腦機接口研發(fā)的重點方向。
腦機接口芯片的全球競爭格局
美國是目前腦機接口芯片的領(lǐng)跑者。在學術(shù)研究領(lǐng)域，每年ISSCC等頂級芯片會議的腦機接口相關(guān)論文的作者主要都來自于美國。而在商業(yè)化方面，馬斯克的Neuralink也是全球腦機接口芯片和系統(tǒng)的領(lǐng)跑者之一。
在腦機接口領(lǐng)域，中國的研發(fā)實力在近幾年來也在快速提升。例如，清華的王志華教授和東南大學的王志功都在這個領(lǐng)域做出了杰出的貢獻，發(fā)表的論文也獲得了全球同行的認可。在商業(yè)化落地領(lǐng)域，Neuramatrix等本土團隊也在做相關(guān)的努力。應當說，中國的腦機接口芯片研究在低噪聲和低功耗設(shè)計（包括放大器、無線充電模組等方面）都已經(jīng)做到與全球最一流水準相差不大，我們認為最值得中國追趕的方面在于系統(tǒng)完整性以及跨學科研究。從系統(tǒng)完整性角度，Neuralink的N1傳感器直接就瞄準集成放大器前端和片上信號處理的完整系統(tǒng)，只有做到這樣完整的系統(tǒng)才能真正把系統(tǒng)實用化，同時系統(tǒng)設(shè)計中的眾多挑戰(zhàn)和技術(shù)壁壘也只有真正著手做過才能理解。此外，腦機接口本來就是橫跨芯片設(shè)計、神經(jīng)科學和生物學的跨學科技術(shù)，目前國外的同行已經(jīng)在設(shè)計針對下一代生物神經(jīng)技術(shù)的腦機接口（例如基于光遺傳學的腦機接口），在這一方面也希望中國的從業(yè)者能不局限于自己的領(lǐng)域，而積極地去實現(xiàn)跨學科的整體發(fā)展，這樣才能保證腦機接口的整體系統(tǒng)處于全球相關(guān)技術(shù)的最前沿。
