大腦與互聯網建立連接、實現數據實時交互，已經不再只是一種幻想了。實際上，大腦的功能依賴於神經元迴路，神經元之間相接觸的部位就是突觸，在結合信息傳遞與記憶存儲、處理方面起著關鍵作用。而電子學在模擬神經元和突觸以及腦機接口方面取得了重要進展。

近日，英國、意大利和瑞士的研究人員共同創建了一個混合神經網絡，利用互聯網將信號從生物神經元傳輸到人工神經元。當地時間2020 年2 月25 日，科學雜誌《自然·科學報告》刊登了該研究團隊名為Memristive synapses connect brain and silicon spiking neurons（記憶突觸連接大腦和矽尖峰神經元）的論文。

通過互聯網連接生物神經元和人工神經元

該論文主要介紹了模擬真實突觸的傳遞和可塑性的大腦和矽尖峰神經元之間的記憶聯繫。

值得一提的是，這項研究由三國研究者共同完成：

• 英國南安普敦大學開發了納米級憶阻器，模仿突觸；
• 意大利帕多瓦大學培養了生物（老鼠）神經元；
• 瑞士蘇黎世大學與蘇黎世聯邦理工學院合作，在矽微芯片上創建了人工神經元，通過使用憶阻器創建的混合神經網絡，使得人工神經元和生物神經元能夠雙向實時通信。

具體來講就是，研究人員利用與金屬薄膜氧化鈦微電極配對的憶阻器，將矽神經元連接到老鼠海馬體的神經元上（如下圖所示），從而證明了一個三神經元腦-矽網絡，其中憶阻突觸經歷了由神經元放電速率驅動的長期增強或抑制。

根據上述描述，我們不難看出這項研究中的一個關鍵元素便是納米級憶阻器。

通常情況下，尖峰處理由基於數字馮·諾依曼（Von Neumann）的硬件運行統計算法來管理。但是，依賴於近生物的尖峰信號及處理策略，神經形態電子器件和結構可以說是相對更好的計算選擇。

以此為基礎，研究人員發現了納米級憶阻器模仿突觸的可塑性，而用來模擬腦突觸的尖鋒電位傳遞和可塑性過程的，正是鈦連接。

如下圖所示，這個系統其實是一條單向電路——鈦憶阻器MR1 存儲突觸權重作為阻性狀態，超薄電容微電極CME 將刺激傳遞給生物神經元，並通過記憶權重進行調節。BN 尖峰由膜片鉗微電極記錄，然後由憶阻器MR2 處理，並且經由電流注入，最終傳輸到第二矽神經元ANpost。

而另外一個重要元素則是人工神經元。據悉，人工神經元被排列在矽微芯片上。類似於生物神經元，人工神經元能夠發送、接收可讀取和測量的信號。

這是全球首次以這樣的方式實現了人工神經元和生物神經元的跨國連接。研究人員同時也指出，希望這項研究成為神經電子互聯網的開端。

對於這一突破，南安普頓大學納米技術教授兼電子前沿中心主任Themis Prodromakis 表示：

我們對新進展感到非常興奮。一方面，它為自然進化過程中從未遇到過的新場景奠定了基礎，在該場景中生物和人工神經元相互連接並在全球網絡中進行交流；另一方面，它為神經修復技術帶來了新的前景，為研究用AI 芯片代替大腦功能異常的部分鋪路。

馬斯克：構建第三層大腦

實際上，上述“神經電子互聯網”也是特斯拉公司CEO、SpaceX 公司CEO 兼CTO、太陽城公司董事會主席埃隆·馬斯克（Elon Musk）的一個腦洞。

眾所周知，人類大腦分為兩層：

• 邊緣系統：用於控制情緒、長期的記憶和行為等；
• 大腦皮質：處理複雜思想、推理和長期規劃。

對此，馬斯克認為，實際上我們的大腦還有第三層——人類已經離不開的計算機、手機等數字化設備。因此他提出了“腦機接口”的概念，讓人腦與電腦相連，完善人類大腦的第三層，對另外兩層進行補充。

作為一個實干家，2017 年馬斯克便建立了腦機接口公司Neuralink。

Neuralink 成立之初，旨在幫助患有嚴重腦損傷的人（如中風、癌症、先天性疾病患者等）。在大腦中植入設備後，患者即可自行控製手機或計算機。

2019 年7 月16 日Neuralink 的發布會上，馬斯克透露已經有一隻參與試驗的猴子能夠用大腦來控制電腦了，同時還介紹了已推出的主要技術（：

• 寬度僅為4-6 μm、能夠傳輸大量數據的Thread；
• 神經外科機器人，每分鐘能向大腦插入包含192 個電極的6 個Thread；
• 定制芯片，能更好地讀取、清理、放大來自大腦的信號；
• N1傳感器，可嵌入人體並以無線方式傳輸數據，讀取比當前基於有線系統更少的神經元——人腦中將植入四個傳感器（三個位於運動區域，另一個位於體感傳感器區域） ，它們無線連接到安裝在人耳後的外部設備，受iPhone應用程序控制。
  

實際上，Neuralink 已經開始在小白鼠上進行試驗，如果平台穩定的話，將通過機器人手術對Thread 進行植入。當然，這一過程需要美國食品藥品監督管理局的審核。

不過，研究腦機接口的並非只有Neuralink 公司，Facebook 的Building 8 部門、麻省理工學院等大學、研究機構目前都在做著這方面的努力。

考慮到包括無線傳輸在內的工程阻礙、人類對大腦的認識程度、公眾對這類技術安全性的擔憂等等，實現腦機連接絕非易事。

正如馬斯克本人所說：

科技不會自己進步，科技進步需要付出，需要遠大的目標和大量的辛勤工作，需要有偉大的夢想來激發人們去創造。