マトリックスがやってくる！マスク氏の脳コンピューターインターフェースは、10,000マイクロメートルの電極を埋め込むことで人体に埋め込まれ、脳を盗聴する。

あなたの頭の中には 860 億個のスイッチからなる複雑なネットワークがあります。

重さは2.5キログラム、消費電力は電球1個分の20Wのみです。

しかし、バイオエレクトロニクスの無限の奇跡を生み出しました！

脳は電子器官ですか？

脳研究の中核となるのは応用センサー技術です。

よく知られている頭皮電極、磁気共鳴画像法、あるいは埋め込みチップなどの新しく開拓された方法など、私たちは皆、この神秘的な器官を研究しようとしています。

最近、ベルギーのナノデジタル研究機関Imecは、生きた脳を神経細胞レベルで観察するための新しいプローブであるNeuropixels検出器を開発しました。

第 1 世代の Neuropixels 検出器だけでも、世界中の約 650 の研究室に納入され使用されています。同時に、Imec は、世界中の脳研究者にオープンソース データを提供するために、OpenScope 共有脳観測所を作成しました。

これは世界的に共有されている神経科学研究施設であり、高エネルギー物理学の共同研究のための CERN の粒子加速器に相当するものです。

脳の活動を観察する新しい技術、ニューロピクセル。その機能はイメージングに似ていますが、光場ではなく電場を記録します。

このコラボレーションは、エンジニアのBarun Dutta氏と神経科学者のTimothy D. Harris氏との会話から2010年に始まりました。

ダッタ氏は最先端の半導体製造装置を使用するImecで勤務しており、ハリス氏は上級神経科学者としてHHMI（ハワード・ヒューズ医学研究所）で勤務している。

ダッタ氏は半導体に関する知識を神経科学に応用する

「自由に動く動物の局所神経回路にあるすべてのニューロンのスパイクを記録する必要がある」とハリス氏は語った。

ダッタ氏とハリス氏の指揮の下、エンジニア、神経科学者、ソフトウェア設計者などを含む学際的な研究チームが結成されました。

科学者たちは、高度なマイクロエレクトロニクスを利用して、脳組織のあらゆる小さな部分にある何千ものニューロン間の電気的会話を同時に聞くことができる新しいセンサーを作成する方法を研究しています。

科学者らが発明したシステムは、ニューロピクセルと名付けられている。「われわれを神経科学のインテルと考えてください」とダッタ氏は言う。「われわれはチップを提供し、世界中の研究室がそれを使ってコードを書いたり実験をしたりするのです。」

脳器官のどの部分に到達しても十分な長さがありながら、その途中で繊細な組織を傷つけないほど小さいデジタルプローブを作るのは簡単ではありません。

実際、脳はヨーグルトと同じくらい弾力性があります。

そのため、科学者はそれをまっすぐに挿入したままにしておく必要があるが、同時に、近くの脳細胞を傷つけることなく長期間存在できるように、揺れる脳内で曲げる必要がある。

プローブは、脳が身体に複雑な動作を指示している間、所定の位置に留まり、数週間、あるいは数か月間確実に記録できるほどの耐久性が必要です。

ニューロピクセルは神経科学を次のレベルに引き上げ、てんかんやパーキンソン病などの脳疾患のより優れた治療法を提供し、将来の脳コンピューターインターフェースへの道を切り開きます。

1950 年代に研究者たちは原始的な電子センサーを使用して、パーキンソン病患者の神経細胞の不活性化を特定しました。

70年にわたる発展を経て、マイクロエレクトロニクス革命により、脳プローブのすべてのコンポーネントが小型化され、脳電子センシング技術は大きな進歩を遂げました。

2021年にシステムはバージョン2.0にアップグレードされました。 4年前の初期バージョンと比較すると、センサーの数は桁違いに増加しました。

現在、バージョン 3.0 は開発初期段階にあります。

科学者たちは、ニューロピクセルはムーアの法則に従って指数関数的に増加すると信じている。

そしてこれはほんの始まりに過ぎません。

ニューロピス2.0！

脳生物学者は研究者に対し、電極として金やプラチナを使用し、ステムとして有機金属ポリマーを使用することを推奨している。

ただし、これらの材料は高度な CMOS 製造プロセスと互換性がありません。そこで、実験者たちはいくつかの研究を実施し、多くの工学設計を行いました。最後に、シルケ

ムサは、CMOS と動物の脳の両方に適合する極めて強力な電子セラミックである窒化チタンを発明しました。

同時に、この材料は多孔質であるため、インピーダンスが低くなります。低インピーダンスは、近くのセルを加熱してノイズを発生させたりデータを破損したりすることなく、電流を流して信号をクリアするのに非常に役立ちます。

多くの材料科学研究とマイクロエレクトロメカニカルシステム (MEMS) の関連技術のおかげで、研究者はシリコンロッドと窒化チタン電極の堆積とエッチング中に発生する内部応力を制御できるようになりました。

これにより、シリコンロッドはわずか 23 ミクロン (マイクロメートル) の厚さであっても、ほぼ完全に真っ直ぐな状態を保つことができます。

各プローブは 4 本の平行なステムで構成され、各ステムには 1,280 個の電極が取り付けられています。長さが1センチメートル未満であるこのプローブは、マウスの脳のあらゆる場所に到達できるほどの長さです。

2021年に発表されたマウスの研究では、Neuropice 2.0デバイスは、げっ歯類が通常の生活を送っている間に、6か月間同じニューロンからデータを収集できることが示されました。

CMOS 互換ハンドルと脳組織との間の弾力性に大きな差があるため、プローブが脳とともに必然的に動くため、個々のニューロンをどのように追跡するかという疑問が生じます。

周知のとおり、ニューロンの大きさは 20 ～ 100 ミクロンで、各電極の直径は 15 ミクロンと、単一のニューロンの孤立した活動を記録するのに十分な小ささです。

しかし、6か月間の揺れの後、探査機全体が脳内で500マイクロメートル移動した可能性がある。この間、特定のピクセルでは複数のニューロンの出入りが見られる可能性があります。

（現在最も一般的な神経記録装置）

さらに、茎の 1,280 個の電極はそれぞれ個別にアドレス指定可能で、4 本の平行な茎により、研究者は CMOS カメラで生成される画像と非常によく似た効果的な 2D 読み出しを行うことができます。

この類似性から、研究者たちは、ピクセルに対するニューロンの変位の問題が IS システムと非常に似ていることに気づきました。 撮影中にカメラを振るのと同じように、脳の領域内のニューロンは電気的特性と相関関係にあります。

研究者は、カメラの揺れの問題を解決する既存の技術を使用して、プローブのヘッドの揺れの問題を解決することができます。安定化ソフトウェアにより、研究者は神経回路がランダムに動き回った場合に自動修正を行うことができました。

バージョン 2.0 では、埋め込まれたプローブを制御し、デジタル データを出力する頭蓋骨の外側の回路基板が親指のサイズにまで縮小されています。

したがって、1 つの回路基板とベースには、それぞれ 4 つの小さなシャンクが伸びている 2 つのプローブを保持でき、合計 10,240 個の記録可能な電極を保持できます。

研究者たちは、高いサンプリングレートを達成し、大量のデータを取得できる制御プログラムを作成しました。これは、CMOS イメージング チップが通常記録できる量の 500 倍に相当します。 しかし、このデバイスは現時点では、接触するすべてのニューロンの活動を捕捉することはできない。

コンピュータ技術の継続的な進歩により、今後数世代以内に既存の帯域幅の制限がさらに緩和されるでしょう。

研究者たちはわずか 4 年で、ピクセル密度をほぼ 2 倍にし、同時に記録できるピクセル数を 2 倍にし、全体のピクセル数を 10 倍以上に増やしながら、外部電子機器のサイズを半分に縮小しました。

次世代の3.0バージョンも開発中であり、4年ごとのペースを維持しながら、2025年頃にリリースされる予定です。研究者らは、バージョン3.0ではピクセル数がさらに増加し​​、約5万～10万個のニューロンを監視できるようになると予想している。

同時に、チームは検出器の追加を継続し、出力帯域幅を 3 ～ 4 倍に増やし、基本帯域幅を 2 ​​分の 1 に削減する予定です。

(最初のニューロピオンデバイス。シャンクには 966 個の電極があります。)

フランケンシュタインが頭蓋骨を開き、最初の人間の脳の機械を作った

科学研究を進めるために、多くのオタクが自らの体で実験を行ってきました。 2014年、米国の70代の神経科医フィルは

ケネディは自分の頭蓋骨をのこぎりで切り開き、脳に電極を埋め込んだ。

ケネディは、実験対象を見つけることができず、研究資金も底をつきそうだったため、自らの脳を手術するしかなかった。 脳の手術は11時間半続き、あまりスムーズには進みませんでした。

ケネディは目覚めたときに話す能力を失った。 彼がこれをしたのは、話すことができない患者が脳コンピューターインターフェースを通じて再び「話す」ことができるように、音声デコーダーを作成するためでした。

フィル・ケネディは、これまで30年近くこの分野の研究を続けてきました。彼は有名な神経科学者であり、多くの人から「サイボーグの父」と呼ばれています。

彼が1990年代に開発した侵襲性脳コンピューターインターフェースにより、重度の麻痺を患った人が脳を使ってコンピューターのカーソルを操作し、入力できるようになり、他の人に自分の声を「聞かせる」ことができるようになった。

脳コンピューターインターフェースに関する研究は無数にありますが、最もエキサイティングでスリリングなのは Neuarlink の研究です。 2020年8月、マスク氏は記者会見でNeuarlinkの大きな進歩を発表しました。

今回、マスク氏が作った魔法の装置は、コインほどの大きさで、手術で頭蓋骨に埋め込まれ、フル充電すると丸一日使用できる。 マスク氏は、脳コンピューターインターフェースの最も重要な問題は「配線」の問題だと述べた。

現場でマスク氏は、ニューラリンクの装置を2か月間埋め込まれ、元気で健康な子豚を披露した。

この実験は主に、チップを埋め込んだ後の豚の脳の活動を視覚的に観察するものである。実験者が豚の鼻に触れると、豚の神経が興奮し始める。装置に接続された 1024 個の電極の作用により、脳内の電気波信号が明瞭に見えます。

また、2021年4月には、Neuralinkが再び新たな進歩を遂げ、サルが心で卓球の試合をすることができるようになった。 実験では、Pagerという名の9歳のアカゲザルの脳に2つのN1リンクが埋め込まれ、スタッフはバナナミルクシェイクを使ってゲームをするように誘った。 脳コンピューターインターフェース技術が進歩し続けると、麻痺した患者は思考でスマートフォンを操作できるようになる。これは指を使うよりも速いだろう。

マスク氏は昨年、脳コンピューターインターフェースが今年中に人間にも利用可能になると述べていた。 脳コンピューターインターフェースの将来は有望です。

参考文献:

https://spectrum.ieee.org/brain-implanthttps://36kr.com/p/1722359709697

https://www.sohu.com/a/193608196_426424

https://www.imec-int.com/enhttps://www.hhmi.org/