快捷搜索:  as  xxx

马斯克一作!Neuralink脑机接口细节公布,特殊材

鱼羊 晓查 发自 凹非寺量子位 报道 | "民众,"号 QbitAI

昨天,马斯克的Neuralink宣布了脑机接口,轰动了天下,但也有不少人质疑这位“硅谷钢铁侠”的钻研成果噱头大年夜于实际效果:

“这个设备会不会划伤大年夜脑啊?让马斯克先用用看。”

本日,Neuralink在生物学预印论文网站biorxiv上宣布了学术论文,而且文章签名“Elon Musk & Neuralink”,俨然是论文第一作者。

论文中走漏了相称多未公布的细节,量子位对这篇论文的主要内容做了收拾,或许能解答你对这项新技巧的疑问。

超细聚合物探针

宣布会中提到,高效实现脑机接口的关键之一在于“线”。

所谓的“线”着实是采纳多种具有生物相容性的薄膜材料制造的微小位移神经探针,尺寸小,机动性强。探针应用的主基板和电介质是聚酰亚胺,这种材料封装着金质薄膜迹线。

钻研团队创建了小而机动的电极“线”阵列。每个薄膜阵列由具有电极触点和迹线的“线”区和“传感器”区组成,“传感器”区的定制芯片薄膜接口可以实现旌旗灯号放大年夜和采集。

晶圆级微加工工艺使得这些器件的高通量制造成为可能。每个晶圆上绘制了10个薄膜器件,而每个薄膜器件具有3072个电极触点。

每个阵列由48或96个线程,每个线程包孕32个自力电极。采纳倒装芯片键合工艺将集成芯片键合到薄膜传感器区域中的电极触点上。

这样一来就不用担心这些“线”会像切皮蛋那样对待大年夜脑了,缩小“线”的横截面积会最小化大年夜脑中组件的位移。钻研团队在维持高数量的电极通道的同时,应用步进光刻和其他微加工技巧以亚微米级的分辨率制作金属膜。

在阵列中,钻研团队设计和制造了20多种不合的“线”和电极类型:

△“线性边缘”探针,拥有32个距离为50μm的电极触点

△“树”探针,拥有32个距离为75μm的电极触点

线宽范围在5到50μm之间,包孕几种几何外形的记录点。线的直径在4到6μm之间,包括最多三层绝缘层和两层导体。范例线长约为20mm。每条“线”都以 (16 × 50)平方微米的环作为尾巴,方便穿针。

因为金电极的几何外面积很小,钻研团队采纳外面改性来低落电心理学的阻抗,并增添界面的有效电荷承载能力。两种外面处置惩罚材料分手为聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT)和金属铱氧化物(IrOx),后者虽然电阻更高,然则长光阴应用的稳定性和生物相容性更好。

穿线机械人

用薄膜聚合物做成的探针精细又机动,问题是它们太软太机动了,这增添了植入手术的难度。

Neuralink为此专门开拓了一种用于植入柔性探针的神经外科机械人。这种机械人每分钟能植入6根探针,快速靠得住,能避开血管并从分散的大年夜脑区域进行记录。

机械人的植入头镶嵌在400mm × 400mm × 150mm的行程三轴平台上,并安装有一个小型、可快速插拨的针组。

针由钨-铼线材电蚀刻而成,直径24μm。针尖被设计成钩环,用于运送和植“线”,并穿透脑膜和脑组织。针组由线性马达驱动,容许可变植入速率和快速回缩加速率(高达30,000 mm s-2),以赞助探针和针头分离。

夹钳是一根50μm的钨丝,在尖端处弯曲,并能轴向和扭转地驱动。它在运送历程中认真探针的支撑,并确保其沿针道植“线”。

下图显示了用这种机械人把电极插入琼脂“果冻”的历程。

穿线机械人还包孕成像组件(图中的E),用于将针向导到线环,插入目标,实时查看和验证。

此外,插入器头包孕六个自力的光模块(图中的C),每个模块能够自力地以405 nm、525 nm和650 nm几种波长的光或者白光进行照射。

405nm照明用于引发聚酰亚胺的荧光,令光学组件和谋略机视觉靠得住地定位于16×50μm2的区域,履行亚微米视觉伺服以向导,再用650nm照射经由过程小孔。

立体摄像机基于软件谋略的单眼扩展景深,用525nm光照射正确预计皮质外面的位置。

这个机械人还会把植入位置记录到具有颅骨界标的公共坐标系中,当与深度跟踪相结应时,能够正确地瞄准解剖学定义的脑布局。

集成的定制软件套件容许预先选定所有植入位置,这样可以优化植入路径的筹划,最大年夜限度地削减“线”的缠结和绷紧。

筹划机械人功能时,Neuralink强调了在植入历程中避免脉管系统的能力,这是机械人的关键上风之一。这一点是异常紧张,由于血脑屏蔽的损伤被觉得在大年夜脑对异物的炎症反映中起关键感化。

这个机械人具有自动植入模式,全部植入历程可以自动化,但外科医生能够对其维持完全节制,假如必要,可以进行手动微调。

全部外科机械人是无菌的,能对针进行自动无菌超声波洁净。针组是插入器头部与脑组织直接打仗的部分,属于耗损品,在手术中可在一分钟内替换。

该系统在19次手术中匀称植入成功率为87.1±12.6%(匀称值±s.d.)。每个手术匀称插入光阴为45分钟,插入速度约为每分钟29.6个电极。

电子芯片

用数千个电极位置的经久记录大年夜脑旌旗灯号,向电子设备和封装提出了极大年夜的寻衅。

高密度的记录通道要求旌旗灯号放大年夜和数模转换必须集成在阵列组件中。而且这个集成的组件必须能放大年夜微弱的神经旌旗灯号(

Neuralink的专用集成电路(ASIC)可以达到上面的要求。该集成电路由三个部分组成:256个自力可编程放大年夜器(Neuralink把它叫做Analog Pixel)、片上模数转换器(ADC)、用于序列化数字化输出的外围节制电路。

A:核心处置惩罚芯片;B:连接大年夜脑的聚合物导线;C:钛金属外壳;D;用于供电和数据的USB-C接口

Analog Pixel具有高度可设置设置设备摆设摆设性:增益和滤波特点可以进行校准,以办理因工艺变更和电心理情况导致的旌旗灯号质量变更。片上模数转换器以19.3kHZ、10bit分辨率进行采样。每个Analog Pixel耗损5.2μW,包括时钟驱动器在内,全部ASIC功耗6mW。

Neuralink专用集成电路的机能参数如下表:

ASIC构成了模块化记录平台的核心,便于研发职员替换组件。

在全部脑机接口系统中,ASIC和其他专用集成电路一路放在印刷电路板上。系统由一个FPGA、实时温度加速率与磁场传感器、全带宽数据传输USB-C连接器组成。

该系统封装在涂有聚二甲苯的钛金属外壳中,聚对二甲苯的感化是防止液体进入延长应用寿命。

Neuralink制造了两种不合设置设置设备摆设摆设的系统:一个包孕1536通道(System A),一个包孕3072通道(System B)。System A采纳了新的ASIC,System B采纳了功能相称但机能规格较差的早期版本。二者的差异如下:

System B的上风是最大年夜化信道密度,用于要求极高信道数的场景。System A的上风是制造起来更快更靠得住,它的制造速率比System A快五倍,产量更高。连接以太网的基站将来自这些系统的数据流转换成多点传送10G以太网UDP数据包,容许下流用户以多种要领处置惩罚数据,比如实时可视化数据,或将数据写入磁盘。

每个基站最多可以同时连接三个植入物。这些设备还有软件生态系统的支持,容许零设置设置设备摆设摆设的即插即用性。当连接电缆时,系统可以自动传输神经数据。

脑电波记录

Neuralink应用换向电缆进行电心理记录,可以不受动物活动的限定。System A可以同时记录1536个通道中的1344个,在记录时可以随意率性指定通道设置设置设备摆设摆设的精度。系统B可以同时记录所有3072个通道。二者应用在线检测算法实时处置惩罚数字化宽带旌旗灯号以识别动作电位(尖峰旌旗灯号)。

然则实时脑机接口对尖峰检测的要求,与大年夜多半传统神经心理学不合。电心理学家可以并花费大年夜量光阴离线处置惩罚数据,而实时检测的脑机接口必须最大年夜化解码效率。

斟酌到这些身分,Neuralink设置了>0.35 Hz的阈值来量化记录尖峰单元的电极数量。脑机接口解码器平日在没有尖峰分类的环境下运行,包管机能丧掉最小。

上图展示了System A的实验数据。在这个实验的1280个植入电极中,44个插入电极中有40个成功检测到旌旗灯号,显示下场部场和尖峰活动图。右侧展示了尖峰旌旗灯号的叠加图。

钻研职员记录了所有1280个植入通道。在这个阵列种,尖峰的孕育发生量是通道的53.4 %,许多尖峰呈现在多个相邻的通道上,这和在其他高密度探针中察看到的结果一样。在19个脑机接口手术中察看到尖峰孕育发生量为59.10±5.74%,最高值为85.5 %。

OMT

脑机接口有望赞助癫痫、渐冻症等病症患者规复感到和运动功能,在神经系统疾病的治疗傍边也大年夜有可为。但当前设备限定了这一技巧在临床傍边的利用。

Neuralink的成果推进了这一领域的落地利用,但从临床到更大年夜范围的利用,不仅有赖于多学科领域的根基钻研进展,在安然、伦理、价格等诸多方面也有许多值得进一步评论争论的地方。

你感觉呢?

论文地址:

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/703801v1

— 完 —

您可能还会对下面的文章感兴趣: