Neuralink秋季演講彙整(一)

Neuralink是特斯拉和SpaceX執行長Elon Musk所創辦的公司。該公司專注於研發腦機介面商品，雖然目前仍無商用產品，近期舉行的秋季演講，透漏了Neuralink產品的輪廓。

演講連結:

一般而言，我們會用滑鼠、鍵盤、或聲音來控制電腦或機械下達指令或與之溝通，讓機械或電腦能完成我們要做的事情。然而，這種溝通法有致命的缺點，就是人類在固定時間內可下達的指令數，遠低於電腦能接收的指令數。舉例而言，人類一秒鐘最多能輸入2到3個字，然而電腦可以在一秒鐘接受成千上萬個字元的資訊。這樣的傳送量與接收量的落差，就是瓶頸。腦機介面就是為此而生，可以透過在人類大腦植入晶片或電極，讓神經訊號直接轉換成資訊傳送給電腦，弭平傳送量與接受量的落差。這個大腦與電腦的互相傳輸的接口，就是腦機介面。腦機介面除了可以將大腦訊號擷取進而傳遞出來，亦能將外界的訊號傳遞進大腦。

因此，除了提升人類與機械/電腦的溝通效率，腦機介面也有著更為重要的使命，就是讓神經損傷的人，可以恢復功能。好比讓半身癱瘓的人可以重新恢復行動能力或者讓眼盲者恢復視力，這兩者恰巧都是Neuralink正在執行的計畫。我會在本文詳述目前Neuralink研發的進展。

Neuralink目前研發的穿戴式裝置代號為N1，體積約為一個硬幣大。N1內有晶片可以處理訊號、藍芽傳輸晶片、電池與1024個通道的電極。每個電極通道都可以量測和給予神經細胞電刺激。N1可以取代腦殼鑲在大腦上，所以從被植入者外觀上看不出差異。演講中，Elon Musk開玩笑地說，可能我已經安裝了N1但你們不知道。

N1有幾個主要優點，目前有1024個電極通道，意即可以同時記錄1024個不同位子的神經訊號；其次，N1在植入後並不會影響外觀，也不會造成使用上的不便；三、N1可以完全透過藍芽無線溝通與充電，大大的增加了使用便利性；四、可以在任意場合使用。

Neuralink在節省N1的能耗方面下了許多工夫。Neuralink首先利用演算法找出特定活動最相關的神經訊號，N1則只傳送神經活化時的資訊(熱狀態)。反之，當神經不活化時，稱為冷狀態，冷狀態會持續很長一段時間，因為神經並不會在熱狀態與冷狀態頻繁切換。此時，N1只會監測冷狀態的神經，將取樣時間拉長，進而節省功耗。Neuralink改善了N1的充電模組線圈設計，利用動態的線圈耦合，使線圈可以在任何距離都維持高的充電效率。相較前一代，目前充電距離也比之前長，並延長了電池壽命。

安裝N1，需要將腦殼切開一個小洞，移除腦殼、腦硬膜等，並將線狀電極束(thread)插入大腦，最後再將N1固定在腦殼上。目前，將腦殼切開的手術仍需由人工進行，但將線狀電極束插入大腦，已經可以由機器取代。這個進行手術的機器人代號為R1。R1有數個優點，包含：一、精準地插入電極束；二、能預測大腦的微小震動並對此進行校正，使得手術更精確；三、在插入電極束的時候能避開血管，減少損傷；四、能夠大量且安全地進行手術。目前，腦神經外科醫師與人口比大約1比十萬，而訓練醫師曠日廢時，若要大規模的進行手術，以機器取代人力是不可避免的。

在演講的同時，Neuralink實際展示R1如何在大腦精準的插上電極。(有興趣的人可以在影片的41分鐘開始觀看。展示中使用的是一個假體大腦，不會看到血淋淋的畫面)。大約20分鐘內，R1就已經將64個電極束，精準的安裝在大腦中。

R1手術是如何達成的呢? Neural團隊使用二種光學影像，一個是可見光影像，觀察手術機器人如何插入電極束；第二個是光學同調掃描儀(OCT)可以準確的觀察大腦與其位移；如此一來，R1在植入電極時，可以避免破壞血管。

Neuralink除了開發硬體，亦有專人負責後續的大腦資料解碼(neural decoding)與應用(application)。大腦訊號的分析包含三大面向，第一，機器要可以更快速的判斷大腦訊號，減少延遲效果。第二，解析各種不同情境的大腦訊號。第三，訊號要能穩定且可靠的被解讀。一旦判讀錯誤，將可能造成嚴重的後果。

從Neuralink釋出的影片來看，N1的大腦訊號判斷速度較一年前快了一倍，因此大腦控制的滑鼠移動速度較前代也快了一倍。我個人觀察，目前已經達到與用人手控制滑鼠的速度相當。算是有蠻大的進展。

在解析不同情境的大腦訊號方面，Neuralink解析大腦如何使用常見的手機控制方法。包含移動滑鼠、點擊左右鍵、點擊與拖曳、使用游標來輸入鍵盤，滑動輸入鍵盤、手寫辨識與手勢辨識。Neuralink希望藉由腦機介面來完成日常的滑手機活動。或許未來人類滑手機就不再需要用手了。

持續且穩定的讀取大腦訊號是Neuralink演算法工程師著墨最多之處。因為神經元的活化率每天都會變動，因此必須讓演算法適用於每一天。否則，同個演算法在每天都會有不同的效果，將使腦機介面的可靠性蕩然無存。團隊目前有兩種解決方法，方法一，透過不斷的收取新資料並納入訓練系統。方法二，每天都會收取的新的訓練訊號，但僅使用相近時間點的取樣來訓練系統。未來這兩個方案都都需要時間驗證。

除了開發以上和商品相關的軟硬體，Neuralink也投入研發穿戴式裝置的開發測試模組。這模組能在開發中的穿戴式裝置進行各項測試，包含充放電、模擬腦訊號接收測試、資料回傳測試。這個開發測試模組將可24小時不間段的監控所有連接的硬體，包含電極與電池相關數據。新的測試模組除了可量產與便宜外，亦能用於未來的穿戴式裝置。

可靠性測試平台是使用與生物體相似的潮濕微環境，來測試N1的穩定度與防水防鏽。Neuralink利用升溫加速可靠性測試，例如在高溫環境運作一個月相等於一般環境運作四個月，以此來推測一個穿戴式裝置的使用壽命。目前的測試平台能讓N1安裝在假體上，並自動化的收集相關資料。Neuralink透露，他們有一整個機櫃的測試平台，同時測試上千個N1裝置的可靠性。

當人們因為眼睛病變喪失視力，是否可以藉由刺激視覺皮質使他們重獲視力? Neuralink的神經科學家認為，Neuralink的穿戴式裝置是個相當可行的方案，且具有三個特點很符合需求。一、N1除了可以接收大腦信號，同時也能給予大腦電流刺激。二、N1眾多通道，是合成複雜視覺所必要的。通道越多，將可以獲得更清晰的視覺。三、N1可藉由手術機器人植入在大腦較內側的距狀溝，他是初級視覺皮質的所在地。

初級視覺皮質與人眼的視覺區是一對一的呈現。如何說呢? 在視野的某一個光點，將對應到視覺皮質的某一個位子，這個視覺皮質的空間，稱為視覺空間受域(Visual Receptive Fields)。反之，在視覺皮質某一處給予電刺激，將在視野的某一個點產生光點。

Neuralink的科學團隊，將N1植入兩隻猴子大腦的視覺皮質上，並利用反向相關(Reverse Correlation)技術，量測每個通道的神經元的視覺空間受域。接著，團隊可以利用給予不同通道不同強度的刺激，將使猴子看到視覺影像。

目前Neuralink研究團隊透過實驗，已經確定猴子可以看到透過電刺激而產生的閃光。這是一個視覺追蹤實驗，起初當猴子看到白點，則需要凝視白點，而後獲得獎勵。實驗顯示，當給予猴子的視覺皮質電刺激，猴子仍會凝視相對應閃光的位子，儘管這時候的螢幕並沒有白點。這是因為猴子在視覺上看到了因視覺皮質電刺激而產生的白點，而為了獲得獎勵而將眼球凝視該方向。

當人們因為脊椎或運動神經受傷，是否可以透過電刺激使得病人重新獲得運動能力?

運動訊號由大腦產生，經由上運動神經元，傳遞至脊椎的運動神經元池(motor pool)與下運動神經元結合，再傳遞至各別肌肉，使之產生運動。同時，當手觸碰到物體之後，所產生的感覺也會逆向從此路徑傳回大腦的感覺皮質。但是，當脊椎受傷或者運動神經元受傷後，這個傳遞路徑就已經無法將訊號傳遞至肌肉使之產生運動，或將觸覺傳回大腦。

因此Neuralink團隊冀望在運動神經元池埋入電極，以刺激下運動神經元，使腿部或手部肌肉收縮。Neuralink的手術機器人R1一樣可以完成這個艱鉅的任務，將電極束準確地埋入脊髓中。另一方面，透過在豬隻身上貼上運動標籤，研究人員可以在實驗豬運動時，同時紀錄大腦運動皮質和脊髓神經的電訊號。因此，研究人員可以透過演算法，解碼神經訊號與關節運動的關係。

當神經訊號與運動訊號已經可以準確地被解構，研究員即可以刺激相關神經，使實驗豬的腿部收縮或伸直。未來，研究員將試圖解碼大腦訊號，當N1電極接收到走路信號，則可透過演算法，算出一系列收縮與伸直腿部的動作，使實驗豬可以移動。除了移動外，電刺激也可以讓肌肉持續性的收縮，完成長時間的站立。同時，這個裝置未來也可以反向的將體感神經或感覺訊號，傳送回大腦感覺皮質，讓運動可以更精確。

在會議中後段，Neuralink說明其下一代穿戴式裝置的研發計畫。未來的裝置會有4個電極模組，每個模組有4096個通道。因此，一個裝置將會達到總共16000個通道。穿戴裝置的工作電壓將提升至2.5V，以提供更強的電刺激。此外，新的裝置將內建ARM M23處理器，提升裝置的的運算力。

下一代裝置的充電模組，將會採用雙向近場通訊技術，除了可以改善充電延遲效果，也可以改善充電溫度，進而縮小充電時間。

因為電極阻抗將會嚴重影響所讀取的神經訊號的品質，目前Neuralink正著手研發阻抗自動量測設備。未來當穿戴式裝置植入大腦後，電極會自動量測附近生物體的阻抗，大約在20秒內就可以量測完1024通道的阻抗。這些阻抗資訊的將會用於未來電極的阻抗的設計，以最佳化大腦讀取訊號的品質。

考量到新的裝置會持續地推出，Neuralink在設計產品時考量了後續硬體的置換與軟體的升級。為了防止組織再生使得裝置被新生組織黏住於大腦表面，Neuralink認為未來的裝置需要不破壞硬腦膜(Dura)才會是最佳方法，一來降低手術難度，二來保護大腦避免組織重生。如此一來將可以更容易地替產品進行硬體升級。

下一代手術機器人將會比R1可完成更多類型的手術，包含顱骨切除手術(Craniectomy)與硬膜刺穿手術。Neuralink團隊選用超音波刀作為開顱手術刀，其具有只切割顱骨而不傷及軟組織的特性。為此，Neuralink團隊開發了特殊的刀頭，可以更快速地完成手術並減少熱傷害。另外，Neuralink團隊正研發CNC鑽來進行開顱手術，以應付切割特定形狀與特定深度的需求。

硬膜刺穿手術將能避免植入穿戴式裝置時破壞腦硬膜。不破壞腦硬膜，即能保護大腦，也防止組織重生。組織重生將造成N1的維護困難。為此，Neuralink研發團隊開發了兩種不同的光學系統，光線可以穿透過腦硬膜，清楚的呈現大腦表層血管的位子，避免在進行手術時破壞血管。

此外，為了使40微米的針頭可穿透約1釐米的腦硬膜，Neuralink團隊設計了許多針頭。這些針頭須滿足三個需求，一、需要夠硬以穿透腦硬膜，二、要能攜帶著電極束且不造成電極束的形變，三、插入大腦時不能破壞大腦組織。為了符合上述需求，Neuralink所採用的針頭是以鎢、錸為材料，製造針頭時仰賴特殊雷射切割不同形狀的針頭，而不同形狀的針頭須搭配不同種類的電極束。目前製造一根針頭可從22分鐘降至6分鐘，良率也從50%提升至90%，而產製電極束的製程效率在去年也提升了33%。

開發腦硬膜穿刺手術的最後一塊拼圖就是測試平台，這個平台的可靠性將大大影響未來Neuralink使用硬膜穿刺手術植入電極束的成功率。Neuralink利用目前R1進行手術時量測到的大腦組織力學特徵，與電極束與組織的介面構造，來設計這個測試平台，使之符合大腦真實情況。最早的大腦假體是由洋菜膠與發泡膠組成，而現在所使用的大腦假體則為水凝膠。至於大腦硬膜假體，Neuralink研發團隊也製造了相似的合成生物組織，他們並未詳述此假體組織材料與設計。

當這些開發平台逐一到位，可以預見下一代手術機器人將能進行更多複雜的手術，而手術所帶來的大腦損傷也將降至更低的水準。

以上就是這次秋季演講的完整內容彙整。下一篇文章，將會進一步整理Neuralink團隊在這次發表會中的QA問答時間，也會有我個人看完這次發表會的心得。那我們下一篇文章見!