编者按:技术奇点(英语:Technological Singularity)，又称科技奇点，出自奇点理论，一个根据技术发展史总结出的观点，认为未来将要发生一件不可避免的事件——技术发展将会在很短的时间内发生极大而接近于无限的进步。当此转捩点来临的时候，旧的社会模式将一去不复返，新的规则开始主宰这个世界。而后人类时代的智能和技术我们根本无法理解，就像金鱼无法理解人类的文明一样。
NeuraLink想要解决的是什么问题？
理解这个问题的最佳方式是先去理解我们是如何进化成这个越来越智能的物种的。
Elon说我们其实已经是电子人(Cyborg)了。现代人已经能在几秒钟之内回答你提出的几乎任何问题。我们都随身携带的那个未来主义设备将我们与无限的人类知识库连接起来。如果某人有了什么发现，在互联网上几秒钟之内就能分享给全人类。结合了我们的设备，对这一无限知识库的访问，可以说基本上我们就是一个庞大的、由人与机器组成的互联的生控体系统。
你的手机已经是你的延伸，你已经是个电子人。——埃隆·马斯克
随着我们的技术不断取得进步，我们的集体知识和智能只会变得越来越丰富。这一点很大程度上是因为我们建立了更好的沟通系统来在人际网络中传播这些知识。
作为一个物种，我们通过排除万难建立起种种聪明的沟通方式，而取得了很多成就。通过创建更多这样的媒介，我们正在提高互相之间交换知识的速率，在这方面创造机器和互联网是其中最大的飞跃之一。但也是我们的下一个障碍：将我们与机器进行知识交换的能力提高到新的水平。尽管我们已经是电子人，但我们与机器的沟通速率还不是很高。马斯克说这方面我们面临着带宽问题。
你和自身神经控制延伸 (即手机、计算机) 之间的沟通率很慢，非常慢。
——埃隆·马斯克
那么如果我们能够把访问机器上的信息所有缓慢的机制都消除掉呢？
比方说，我们可以不用手来敲东西，而是让机器执行我们的请求，然后解读我们眼睛获取的信息，如果我们只需要脑子里面想，而马上就能通过机器访问想要的东西呢？
如果我们的脑子可以访问一个数据存储设备并马上通过我们的思考对其进行检索呢？
有了这些能力之后，我们的学习和记忆能力就会比利用这些接口的现有物理沟通方式好上指数级别的层次。不仅如此，这还可以帮助无数受累于老人痴呆症等大脑疾病的人——对于那些人来说，记忆正是第一个消失的东西。
这个带宽问题是NeuraLink希望在远期解决掉的顽疾。他们设计的解决方案之一是利用脑机接口将你的大脑皮质连接到一个共生的AI上，从而极大地增强你的认知能力。思维无限界——不过做法不是吞一颗药丸来提神醒脑，而是在你的身体某处植入一个AI芯片。就像马斯克概括那样，是你的一个AI延伸。这个无穷思考的例子也许有点牵强附会，但我敢肯定有朝一日我们会活在这样一个未来。
在被问到NeuraLink的远景目标时，马斯克说：
它将会为任何想要拥有超人认知能力的人赋能，任何想要的人。这不是有关赚钱能力的事情，在你做了这件事之后赚钱能力会强得多。理论上任何人只要想都能做。
——埃隆·马斯克
NeuraLink的底层技术:拥有数千个频道的集成脑机接口平台
1 摘要:
脑机接口(BMI)有望恢复感觉和运动功能以及治疗神经系统疾病，但临床BMI尚未被广泛采用，部分原因是适度的频道数量限制了它们的潜力。在本白皮书中，我们描述了NeuraLink迈向可扩展高带宽BMI系统的第一步。我们已经建立了小而灵活的电极“螺纹”阵列，每个阵列有多达3072个电极分布在96个螺纹上。我们还建立了一个神经外科机器人，每分钟能插入六根线 (192个电极)。每个线程可以以微米精度，单独插入大脑，以避免表面脉管系统并瞄准特定的大脑区域。电极阵列封装在一个小型可植入器件中，该器件包含用于低功率板载放大和数字化的定制芯片：3072个通道的封装占用小于(23×18.5×2) mm^3。单根USB-C电缆从设备提供全带宽数据流，同时从所有通道进行录制。该系统在长期植入的电极中实现了高达85.5％的尖峰产率。NeuraLink的BMI方法在临床相关包装中具有前所未有的包装密度和可扩展性。
2 介绍:
脑机接口(BMI)有可能帮助患有各种临床疾病的人。例如，研究人员已经证明了使用不超过256个电极的计算机光标，机器人肢体和语音合成器的人类神经假体控制。虽然这些成功表明大脑和机器之间的高保真信息传递是可能的，但BMI的发展受到无法记录大量神经元的严重限制。
无创方法可记录通过颅骨的数百万神经元的平均值，但此信号是扭曲的和非特异性的。放置在皮质表面的有创电极可记录有用的信号，但它们的局限性在于它们平均数千个神经元的活动并且不能记录大脑深处的信号。大多数BMI使用侵入性技术，因为最精确的神经表征读数需要记录分布式，功能相关集合中神经元的单个动作电位。
微电极是用于记录动作电位的黄金标准技术，但是还没有用于大规模记录的临床可转换微电极技术。这将需要具有提供高生物相容性，安全性和长寿命的材料特性的系统。此外，该设备还需要实用的手术方法和高密度，低功率的电子设备，以最终促进完全植入的无线操作。
大多数用于长期神经记录的装置是由刚性金属或半导体制成的电极阵列。虽然刚性金属阵列有助于穿透大脑，但刚性探针和脑组织之间的大小，杨氏模量和弯曲刚度不匹配会驱动免疫反应，从而限制这些装置的功能和寿命。此外，这些阵列的固定几何形状限制了可以被接近的神经元群体，尤其是由于脉管系统的存在。
另一种方法是使用薄的柔性多电极聚合物探针。这些探针的较小尺寸和增加的灵活性应提供更大的生物相容性。然而，这种方法的缺点是薄的聚合物探针不够硬，不能直接插入大脑; 必须通过加强筋，注射或其他方法来促进它们的插入，所有这些都非常缓慢。为了满足高带宽BMI的功能要求，在利用薄膜器件的特性的同时，我们开发了一种机器人方法，其中大量精细且灵活的聚合物探针可以有效且独立地插入多个脑区域。
在这里，我们报告了NeuraLink在灵活，可扩展的BMI方面取得的进展，该BMI将通道数量比先前的工作量增加了一个数量级。我们的系统有三个主要组件：超细聚合物探头，神经外科机器人和定制高密度电子设备。我们展示了96个聚合物线的快速植入，每个螺纹具有32个电极，总共3072个电极。
我们开发了微型定制电子设备，使我们能够同时从所有这些电极传输全宽带电生理数据。我们将该系统打包用于长期植入，并开发了定制的在线尖峰检测软件，可以检测低延迟的动作电位。该系统共同作为最先进的研究平台和第一个完全植入人体BMI的原型。
3 线束:
我们开发了一种定制工艺来制造使用各种生物相容性薄膜材料的微小位移神经探针。这些探针中使用的主基板和电介质是聚酰亚胺，其封装金薄膜迹线。每个薄膜阵列由具有电极触点和迹线的“螺纹”区域和“传感器”区域组成，其中薄膜与定制芯片接口，以实现信号放大和采集。晶圆级微加工工艺可实现这些器件的高通量制造。在晶片上图案化十个薄膜器件，每个薄膜器件具有3072个电极触点。
每个阵列有48或96个线程，每个线程包含32个独立电极。使用倒装芯片键合工艺将集成芯片键合到薄膜的传感器区域上的触点。该方法的一个目标是保持小的螺纹横截面积以最小化脑中的组织位移。为了实现这一点，在保持通道数高的同时，使用步进光刻和其他微加工技术以亚微米分辨率形成金属膜。
图1. 我们的新型聚合物探针 A.“线性边缘”探针，32个电极触点间隔50μm B.“树”探针具有间隔75μm的32个电极触点 C.增加了面板A中螺纹设计的单个电极的放大倍数，强调了它们小的几何表面积 D.两种表面处理的电极阻抗分布（在1kHz下测量）：PEDOT（n = 257）和 IrOx（n = 588）
我们在阵列中设计和制造了20多种不同的螺纹和电极类型; 两个示例设计在图1的面板A和B中示出。我们制造的线宽范围为5到50微米，包含几种几何形状的记录位置（图1）。螺纹厚度标称为4至6μm，其包括最多三层绝缘层和两层导体。典型的螺纹长度约为20 mm。为了在插入之前管理这些细长的线，将聚对二甲苯-c沉积在线上以形成薄膜，在该薄膜上线保持连接直到手术机器人将它们拉下。每个螺纹以（16×50）μm^2环结束，以适应针穿线。
由于各个金电极位置具有小的几何表面积（图1C），我们使用表面修改来降低电生理学的阻抗并增加界面的有效电荷承载能力（图1D）。我们使用的两种这样的处理是掺杂有聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）和氧化铱（IrOx）的导电聚合物聚亚乙基二氧噻吩。在我们的台式测试中PEDOT：PSS和IrOx的阻抗分别为36.97±4.68kΩ（n = 257）和56.46±7.10kΩ（n = 588）。PEDOT：PSS的阻抗较低，但PEDOT：PSS的长期稳定性和生物相容性不如IrOx好。这些技术和工艺可以改进并进一步扩展到其他类型的导电电极材料和涂层。
4 机器人:
图2. 针头钳（NPC）与一分钱的比例相比 A.针 B. Pincher C.墨盒
薄膜聚合物先前已用于电极探针，但它们的低弯曲刚度使插入变得复杂。NeuraLink开发了一种用于插入柔性探针的机器人插入方法，允许快速可靠地插入大量聚合物探针，以避免脉管系统并从分散的大脑区域进行记录。机器人的插入头安装在10μm全球精确，400 mm×400 mm×150mm行程三轴平台上，并且装有一个小型，快速可插拔的“针-针”组件（图2，图3A）。
将针从40μm直径的钨-铼线材经电化学蚀刻研磨至沿插入长度的24μm直径（图2A）。针尖被设计成钩住插入环-用于输送和插入单个线-并穿透脑膜和脑组织。针由线性马达驱动，允许可变插入速度和快速回缩加速度（高达30000 mms^-2），以促进探针与针头分离。夹钳是一根50μm的钨丝，在尖端处弯曲并轴向和旋转地驱动（图2B）。它在运输过程中用作探针的支撑，并作为确保沿针道插入螺纹的指南。图4显示了进入琼脂糖脑代理的插入过程的一系列照片。
机器人具有自动插入模式，每分钟最多可插入6个螺纹（192个电极）。虽然整个插入过程可以自动化，但外科医生保持完全控制，并且如果需要，可以在每次插入皮质之前对螺纹位置进行手动微调。神经外科机器人与无菌覆盖物兼容，并且具有促进成功和快速插入的特征，例如针的自动无菌超声波清洁。针式针头盒（NPC; 图2C）是插入器头部与脑组织直接接触的部分，是一种可在一分钟内在手术中更换的消耗品。
图3. 机器人电极插入器; 插图中所示的插入器头的放大视图 A.加载针头针筒 B.低力接触脑位置传感器 C.具有多个独立波长的光模块 D.针式电机 E.插入时四个摄像头中的一个聚焦在针上 F.相机与外科领域的广角视图 G.立体摄像机
插入器头还保持成像堆栈（图3E-G），用于将针引导到线环，插入目标，实时插入查看和插入验证。此外，插入器头包含六个独立的光模块，每个模块能够独立地照射405 nm，525 nm和650 nm或白光（图3C）。405 nm照明激发来自聚酰亚胺的荧光，并允许光学堆栈和计算机视觉可靠地定位（16×50）μm^2螺纹环并执行亚微米视觉伺服以引导650纳米针穿过它。立体摄像机，基于软件的单眼扩展景深计算和525nm光照射允许精确估计皮质表面的位置。
机器人将插入位置登记到具有颅骨上的界标的公共坐标系，当与深度跟踪相结合时，能够精确地瞄准解剖学定义的脑结构。集成的定制软件套件允许预先选择所有插入位置，从而可以优化插入路径的规划，以最大限度地减少线程上的缠结和拉紧。规划功能强调了在插入过程中避免脉管系统的能力，这是单独插入电极的关键优势之一。这一点尤其重要，因为血脑屏障的损伤被认为在大脑对异物的炎症反应中起关键作用。
图4. 1.插入器用线程接近大脑代理表面, I 针和插管 II以前插入的线程 2.插入器触及大脑代理表面 3.针穿透组织代理, 将螺纹推进到所需深度, III插入线程 4.插入器拉开, 将线留在组织代理中, IV已插入线程
使用该系统，我们已经证明在19次手术中平均插入成功率为87.1±12.6％（平均值±s.d.）。在这项研究中，进行了精确的手动调整，以避免皮质表面的微血管，从最快的速度减慢总插入时间。即使进行了这些调整，本研究的总插入时间平均为 ~45分钟，大约插入率为每分钟29.6个电极（图6）。插入在（4×7）mm ^ 2双侧开颅术中进行，线间间距>300μm，以最大化皮质覆盖。这表明机器人插入薄聚合物电极是一种有效且可扩展的方法，用于从解剖学上定义的大脑区域中的大量神经元进行记录。
5 电子产品:
对于数千个电极位点的慢性记录，存在显着的电子和包装挑战。记录通道的密度需要将信号放大和数字化堆栈放置在阵列组件内，否则电缆和连接器的要求将是令人望而却步的。该记录堆栈必须放大小的神经信号（<10μVRMS），同时抑制带外噪声，对放大的信号进行采样和数字化，并将结果流出以进行实时处理, 所有这些都使用最小的功率和大小。
这些电子产品是围绕我们的定制NeuraLink专用集成电路（ASIC）构建的，该集成电路由256个独立可编程放大器（“模拟像素”），片上模数转换器（ADC）和外围控制电路组成，用于序列化数字化输出。模拟像素具有高度可配置性：可以校准增益和滤波器属性，以解决由于工艺变化和电生理环境引起的信号质量的变化。片上ADC采样频率为19.3 kHz，分辨率为10位。每个模拟像素消耗5.2μW，整个ASIC消耗约6 mW，包括时钟驱动器。表1总结了NeuraLink ASIC的性能，图5A中显示了制造的器件的照片。
NeuraLink ASIC构成了模块化记录平台的核心，可以轻松替换用于研究和开发目的的构成部件（图5）。在这里讨论的系统中，使用倒装芯片集成将许多ASIC集成到标准印刷电路板（PCB）中。每个系统由现场可编程门阵列（FPGA）组成; 实时温度，加速度计和磁力计传感器; 和一个USB-C连接器，用于全带宽数据传输。该系统采用钛金属外壳包装，涂有聚对二甲苯-c，用作防潮层，防止液体进入，延长使用寿命。
图5. 封装的传感器设备 A.个人神经处理ASIC, 能够处理256个通道的数据, 这种特殊的封装器件包含12个这样的芯片，总共3072个通道 B.聚对二甲苯-C衬底上的聚合物线 C.钛外壳（取下盖子） D.用于电源和数据的数字USB-C连接器
我们描述了我们构建的两种这样的配置，一个1536通道记录系统（“系统A”）和一个3072通道记录系统（“系统B”），总结在表2中。虽然系统A采用了当前一代的NeuraLink ASIC，系统B使用具有可比功能但性能规格较差的早期版本。系统B旨在最大化通道密度，并用于需要极高通道数的应用。相比之下，系统A旨在促进更快，更可靠的制造; 它的构建速度比系统B快五倍，产量更高。
以太网连接的基站将来自这些系统的数据流转换为多播10G以太网UDP分组，允许下游用户以各种方式处理数据，例如，实时可视化数据或将数据写入磁盘。每个基站可以同时连接多达三个植入物。软件生态系统进一步支持这些设备，允许零配置即插即用：神经数据在连接电缆时自动开始流式传输。
6 电生理学:
如第3部分所述，我们在雄性Long-Evans大鼠中植入了A和B系统。所有动物程序均按照国家研究委员会的实验动物护理和使用指南进行，并获得了NeuraLink Institutional Animal的批准。当动物自由地探索配备有允许不受限制运动的换向电缆的竞技场时，进行电生理记录。系统A可同时记录1536个频道中的1344个，精确的频道配置可在录制时任意指定; 系统B可以同时记录所有3072个频道。使用在线检测算法实时处理数字化宽带信号以识别动作电位（尖峰）。
图6.螺纹植入和包装A.一个示例围手术期图像显示皮质表面植入线和最小出血B.长期植入大鼠中的包装传感器装置（“系统B”）
图7. 左：宽带神经信号（未经过滤）同时从植入大鼠大脑皮层的单个线程（32个通道）获得, 每个通道（行）对应于螺纹上的电极位置（左侧示意图;间隔50μm的位置）, 尖峰和局部场电位很明显。右：推定波形（未排序）; 数字表示线程上的通道位置, 平均波形显示为黑色
实时BMI的尖峰检测要求与大多数传统神经生理学不同。虽然大多数电生理学家对数据进行离线排序并花费大量精力来拒绝误报的尖峰事件，但必须实时检测BMI事件，并且尖峰检测参数必须最大化解码效率。使用我们的定制在线尖峰检测软件，我们发现允许估计误差率为〜0.2 Hz的许可滤波器比设置可能拒绝实际尖峰的严格阈值（数据未显示）更好。
考虑到这些因素，我们设置了> 0.35 Hz的阈值来量化记录尖峰单元的电极数量。由于我们通常不会对数据进行峰值排序，因此我们不会为每个通道报告多个单位。BMI解码器通常在没有尖峰分类的情况下运行，性能损失最小。此外，最近的结果表明，尖峰分选不是精确估计神经种群动态的必要条件。
来自使用系统A的最近实验的数据显示在图7和图8中。在该实验中，对于总共1280个植入电极，44个尝试插入中的40个成功（90％），其中1020个同时记录。从代表性线程记录的宽带信号显示本地场和尖峰活动图7. 图8中以光栅形式示出了尖峰检测流水线的样本输出。在该示例中，使用两个重叠的记录配置来记录来自所有1280的植入通道。在这个阵列上，我们的尖峰产量是通道的53.4％，在多个相邻通道上出现许多尖峰，正如在其他高密度探针中观察到的那样。在其他系统A阵列上，我们在19次手术中观察到59.10±5.74％（平均值±s.e.m.），最大加标率为85.5％。
7 讨论:
我们已经描述了具有高通道数和单峰值分辨率的BMI。它基于柔性聚合物探针，机器人插入系统和定制的低功耗电子设备。该系统有两个主要目的：它是一种用于啮齿动物的研究平台，可作为未来人类临床植入物的原型。在啮齿动物中快速迭代设计和测试的能力允许快速改进设备，制造过程和软件。由于它是一个研究平台，因此系统使用有线连接来最大化原始数据流的带宽。这对于性能评估很重要，对于信号处理和解码算法的开发至关重要。相比之下，源自该平台的临床设备将是完全可植入的，其需要气密封装——并且具有板载信号压缩，降低的功耗，无线电力传输以及通过皮肤的数据遥测而无需经皮引线。
调节神经活动将是下一代临床脑机接口的重要部分，例如为神经假体运动控制提供触觉或本体感受。因此，我们设计的NeuraLink ASIC能够在每个通道上进行电刺激，尽管我们还没有在这里展示这些功能。
图8. 我们的设备允许记录分布在多个大脑区域和皮质层的广泛的神经活动 左：在渲染的啮齿动物大脑上指示线插入位点（彩色圆圈） 右：1020个光栅同时记录通道，按线程排序（颜色对应于插入位置）插图：从单个线程放大的尖峰光栅, 该线程对应于图7中所示的线程
与以前的方法相比，该BMI系统具有几个优点。与常用的硅探针相比，薄膜探针的尺寸和组成更好地匹配脑组织的材料特性，因此可以表现出增强的生物相容性。此外，选择我们的探针插入位置的能力，包括子皮层结构，使我们能够创建自定义阵列几何，以针对特定的大脑区域，同时避免脉管系统。此功能对于创建高性能BMI非常重要，因为可以根据任务要求定制电极分布。最后，NeuraLink ASIC的小型化和设计为系统设计提供了极大的灵活性，并在实际尺寸和功率限制内支持非常高的通道数。
原则上，我们的脑机接口方法具有高度可延展性和可扩展性。在这里，我们报告了在一只自由移动的老鼠中从3000多个插入电极同时进入更大的大脑中，具有这种结构的多个设备可以很容易地植入，因此我们可以与更多的神经元接口，而无需进行大量的重新设计。手术机器人的进一步发展可以让我们在不显着增加手术时间的情况下实现这一点。
虽然在高带宽设备适合临床应用之前必须解决重大的技术挑战，但是使用这样的设备，可以想象脊髓损伤患者可以灵巧地控制数字鼠标和键盘。当与快速改进的脊柱刺激技术相结合时，将来这种方法可以想象地恢复运动功能。高带宽神经接口应该能够实现各种新的治疗可能性。
