“向大腦中植入活體神經元?！?/p>
和馬斯克鬧掰了的 Neuralink 聯(lián)創(chuàng) Max Hodak，宣布了新型腦機接口技術路線！
不同于傳統(tǒng)的電極方案，這種新方法不僅能獲得更豐富的神經活動信息，關鍵還不會損傷大腦。
具體來說，這是一種“生物混合探針技術”，在體外培養(yǎng)神經元，然后嵌入電子設備中并植入大腦，形成新的生物連接。
官宣的同時，研究團隊還公布了在小鼠身上的實驗結果，初步證明了這條路線的可行性。
Reddit 上有網友評論說，這種新型的腦機接口不會被大腦視為入侵物體，而是被當作大腦的一部分。
按照他的說法，這條路線如果能夠成功，將成為邁向直接神經接口，甚至 FDVR（全潛式虛擬現實）的重要一步。
用燈泡給大腦發(fā)送消息
之所以研究團隊想要替代電極方案，在于電極會對腦組織造成損傷。
研究團隊展示了一張大腦的橫截面圖像（藍色表示細胞核），并表示人腦中看似空曠的空間實際上充滿了軸突、樹突和支持細胞，形成了密集的突觸網絡。
而在神經元尺度上，即使是很小的電極也同樣具有破壞性，雖然電極少的時候影響較小，但達到一定數量時，就需要在通道數和大腦損傷之間進行權衡。
而研究團隊提出的生物混合架構，利用神經元非破壞性連接的自然能力，可以在不損害大腦的情況下進行整合。
如圖所示，綠色突出顯示的細胞是實際的神經元軸突和樹突，它們從生物混合移植物中延伸出來，在整個大腦中形成能夠傳輸信息的連接。
具體來說，這種方式將人工培育的神經元植入大腦，電子元器件再與人工神經元連接，相當于電子元件被外置。
在嵌入式神經元的兩側，有數十萬個 Micro LED 和電極分別負責刺激和記錄神經元的活動，人們可以通過一種穩(wěn)定的方式來讀取和寫入神經元信息。
這種腦機接口中使用了一種光遺傳學技術，其中的神經元已經被人為修改，可以被光激活。
也就是說，人們可以通過 microLED 燈泡刺激接口中的神經元，進而將信息傳遞給大腦。
另一方面，來自大腦的信號可以通過植入神經元傳遞給電極，從而進行讀取和記錄。
除了避免對大腦的破壞，這種方式還可以提高信息傳遞的信噪比。
另外由于神經元之間會形成連接，移植一百萬個神經元（體積遠小于一立方毫米），就可能會產生超過十億個突觸，效率要高于從“通道數量”考慮的電極模式。
如果這條路線能成功，確實可能會給腦機接口帶來極大的改變，但到底能不能成功，目前仍處在探索階段。
小鼠大腦成功響應光信號
研發(fā)團隊引用的文獻表明，使用生物材料制作的“神經移植物”，能夠成功存活并實現與被植入者正常細胞。
例如在 2015 年，斯坦福大學的 Blake Byers 在研發(fā)帕金森氏綜合征動物模型時，從患者身上采集了皮膚樣本，將其重新編程為神經元并移植到老鼠體內。
結果 Blake 發(fā)現，當移植細胞被激活時，在老鼠大腦中遠處的位置出現了明顯的活躍。
2019 年，劍橋大學 Amy E. Rochford（現就職于 Science 雜志）等人撰寫了一篇關于生物混合神經接口的綜述，當中還提到了四種具體的類型。
前人的這些研究都表明，利用生物混合技術制作腦機接口，在理論上具備可行性。
實踐層面，研發(fā)團隊也剛剛發(fā)布了在小鼠上取得的試驗成果。
研究團隊利用光刻技術制備了含有微孔陣列支架的生物混合植入物，每個植入物含約 11.8 萬個微孔，通過離心將從胎期小鼠皮層中分離出的神經元裝載到支架內，裝載后約 77% 的微孔含有神經元。
裝載神經元后，作者用腺病毒轉導神經元表達鈣指示劑 jRGECO1a 或光敏感陽離子通道 CheRiff，次日將植入物移植到小鼠大腦左側初級體感皮層上方，替代部分顱骨和硬腦膜，再蓋上玻璃蓋玻片。
移植 3 周后，作者使用雙光子顯微鏡對小鼠腦部進行成像，觀察移植神經元的存活和整合情況。
結果發(fā)現約 52% 的微孔中含有表達熒光蛋白的神經元，這些神經元向皮層內投射復雜突起，表現出自發(fā)的鈣活動，組織學證實移植神經元與宿主腦緊密耦合。
為評估移植神經元的功能整合情況，作者設計了一項光遺傳刺激任務。
他們對小鼠進行飲水限制，訓練其通過啟動不同的觸碰端口來報告是否接收到移植神經元的光刺激（470nm LED，10 個 10ms 脈沖，20Hz)，以獲得飲水獎賞。
當動物連續(xù) 2 天達到區(qū)分度指數 (d’)>1.25 的標準后，即認為其學會任務。
結果在光遺傳刺激任務中，9 只接受移植的小鼠中有 5 只在 3 周內達到標準，與陽性對照組小鼠的學習曲線和所需訓練天數無顯著差異。
而在所有陰性對照組和移植對照組中，沒有任何小鼠學會任務，說明小鼠能利用移植神經元傳遞的信息。
進一步分析發(fā)現, 移植組小鼠的最佳行為表現與陽性對照組相當，平均比特率可達 0.25b/s，而所有對照組的比特率幾乎為零。
光刺激功率實驗表明，即使將功率從 5mW 降至 1mW，移植組小鼠仍能執(zhí)行任務。
這一實驗已經初步證明，通過研究團隊設計的“腦機接口”結構，小鼠大腦成功地接收到了人類用光照傳遞出的信號并據此做出了行動，也就加強了這種方式的可能性。
當然，雖然思路可行，但距離在人類中實現應用，還有很長的距離。
比如研究團隊自己就指出，這種路線可能會引發(fā)排異問題 —— 雖然大腦不把這種植入的活體神經當做異類，但免疫系統(tǒng)可不一定這么認為。
一種可能的方案是利用被植入者自身的細胞來培養(yǎng)用于植入的神經元，這種方式的確不會引發(fā)排異，但無論是經濟還是時間成本都十分高昂，也意味著無法實現大規(guī)模生產。
這就需要人們考慮另一條路線 —— 制造低免疫原性干細胞，也就是能夠兼容所有人類，而不引起排異的細胞品種，目前已有多家公司在進行此類研究，但這同樣是一項難度極高的操作。
除了免疫系統(tǒng)，脆弱的神經元還需要面對血糖休克、缺氧等“惡劣環(huán)境”，每種環(huán)境對其生存都是一項考驗。
不過總的來說，研究團隊認為，這種腦機接口目前仍處于成熟度較低的階段，但還是擁有廣闊的前景。
馬斯克老部下創(chuàng)業(yè)公司項目
研發(fā)生物腦機接口的 Science 公司，是馬斯克老部下 ——Neuralink 前總裁 Max Hodak 創(chuàng)立的。
2021 年，Hodak 突然宣布從 Neuralink 公司離職，據《財富》雜志的說法，Hodak 和馬斯克的關系長期處于緊張狀態(tài)，可能是他選擇出走創(chuàng)業(yè)的一大原因。
具體到這項工作，是由兩位聯(lián)合創(chuàng)始人 Alan Mardinly 和 Yifan Kong 領導。
創(chuàng)立 Science 之前，Mardinly 是馬斯克 Neuralink 的生物學部門負責人，而 Kong 在另一家名為 Paradromics 的腦機接口公司任 CTO。
Mardinly 團隊負責細胞的生產，而 Kong 的團隊負責集成電路設計和設備制造。
△ 左：Alan Mardinly，右：Yifan Kong
今年四月，Science 還從一家名為 Pixium 的法國公司處收購了資產，包括正在進行的臨床試驗。
這項臨床試驗就是當前 Science 正在主推的視網膜假體 PRIMA，能夠幫助部分盲人恢復視力，初步實驗結果于上個月公布。
目前，Science 正在進行相關文書的準備，以期獲得歐盟 CE 認證。
Science 公司表示，公司當前的工作重點仍然在 PRIMA 上，而正在研發(fā)的腦機接口，將是一個長期項目。
參考鏈接：
https://science.xyz/news/biohybrid-neural-interfaces/
https://science.xyz/technologies/biohybrid/
https://www.reddit.com/r/singularity/comments/1gya3uz/breakthrough_scientists_create_a_living_brain/
本文來自微信公眾號：量子位（ID：QbitAI），作者：克雷西
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