智东西（公众号：zhidxcom）
编译 | 徐珊
编辑 | 云鹏
智东西8月14日消息，遗传算法都能在很短的时间内找到它在一个区间内的(近似)最值。相当神奇，据外媒Tech Xplore报道，不是吗？接下来围绕这个问题，来自布朗学、高通等研究团队研发了一个有关脑机接口的新系统。他们把脑机接口“拆成”一个个微型传感器来记录脑信号的信息变化，讲讲我对遗传算法的一些理解。实现代码以及在Matlab中使用遗传算法的小教程都附在最后。1.介绍遗传算法(Genetic Algorithm)遵循『适者生存』、『优胜劣汰』的原则，为脑或脊髓损伤的患者提供新的治疗方法。
该系统通过一个个“神经元（neurograins）”传感器组成协调网络（coordinated network），是一类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机化搜索算法。遗传算法模拟一个人工种群的进化过程，独立记录由激发脑神经元变化所产生的电脉冲（electrical pulse）信号，通过选择(Selection)、交叉(Crossover)以及变异(Mutation)等机制，并将信号无线传送集线器（central hub），在每次迭代中都保留一组候选个体，集线器将会通过网络协议（network protocol）协调不同信号之间的信息。
该研究团队来自布朗学、贝勒学（Baylor University）、加州学圣地亚哥分校（University of California at San Diego）和高通公司的专家，重复此过程，他们约在四年前从事该脑机接口系统。
目前，种群经过若干代进化后，该项目的研究报告已发布在8月12日《自然·电子学（Nature Electronics）》上，理想情况下其适应度达到***近似最优***的状态。自从遗传算法被提出以来，研究题目为《通过微植入无线网络记录和刺激神经（Neural recording and stimulation using wireless networks of microimplants）》。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00631-8
一、难设计、难制造，其得到了广泛的应用，脑机接口设备遇双重挑战
目前市场上常见的脑机接口系统主要依赖于植入式传感器（implantable sensors），这些传感器可以记录脑中的电信号，并使用这些信号来驱动计算机或机器人假肢等外设备。
“脑机接口领域存在一个挑战是如何来探测脑中尽可能多的点。”布朗学工程学院（Brown’s School of Engineering）教授阿尔托·努尔米科（Arto Nurmikko）表示，“到目前为止，多数脑机接口都是整体设备——有点像由针做成的头套（little beds of needles）。我们希望将整体脑机接口设备拆解成分布在整个脑皮层的微小传感器。”
对于该项研究，努尔米科表示有两个最的挑战。
一方面，研究人员需要设计较小尺寸的特殊电子设备。该电子设备主要功能为检测神经元信号、放神经信号并将其传输到微型芯片上。研究团队不但需要在计算机上完成芯片和电子设备的设计，而且需要通过迭代产品以优化产品性能。
另一方面，研究团队需要打造一个通信集线器（communications hub），用来在体外接受微型芯片的信号。
该装置是一个极小，可以直接放在脑皮层上的薄贴片。它的工作原理和微型蜂窝通讯塔相似，将采用网络协议（network protocol）的方式来协调“神经元”传感器的信号，并且每个“神经元”传感器都将有自己的网络地址。
该贴片还将以无线方式为“神经元”传感器供电，同时基于新系统的设计，这些“神经元”传感器的耗电量也同样很低。
布朗学的博士后研究员Jihun Lee表示，“我们必须利用电磁学、射频通信、电路设计、制造和神经科学方面的专业知识来设计和操作‘神经元’系统。”
二、动物实验成功！新系统或用于脑医疗领域
目前，该项研究的主要目标是希望证明新的“神经元”系统可以记录活体脑的神经信号，这里说的活体脑主要是指啮齿动物的脑。研究人员将48个“神经元”传感器放置在动物的脑皮层上，并成功记录了动物脑神经信号的活动变化。
研究团队还测试了“神经元”传感器刺激脑的能力。由于微小电脉可以激活脑的神经活动，因此研究人员希望通过同一个集线器来刺激脑信号，来恢复因疾病或受伤而损失的脑功能。
目前，研究团队将采用48个“神经元”传感器参与动物脑信号变化研究，但研究报告表示，该系统最多可以协调“神经元”传感器的数量达到770个。该团队最终希望新系统可以协调数千个“神经元”传感器，为人们提供一个从未见过的脑活动图片。
“这是一项具有挑战性的工作，因为该系统需要以每秒兆位的速率同时进行无线电力传输和网络传输，并且微型芯片的面积和功率还受到限制，”助理研究员梁（Vincent Leung）表示，“我们的研究推动了分布式神经植入物（neural implants）的发展”。
但目前离研究人员出完整的“神经元”系统还有很长的路要走，Nurmikko表示，“我们希望最终能够出一个系统，可以提供最新有关脑的科学见解和疗法，以帮助遭受毁灭性损伤的患者。”
结语：脑机接口赛道涌现更多新玩法
布朗学、高通等多国研究人员联合研发了一种新的脑机接口系统，该系统通过传感器来检测神经信号，将助力脑机接口在医疗领域得到进一步发展。
近期，多家脑机接口公司发布了他们最新的研究结果以及研究产品。今年7月，马斯克创立的脑机接口创企Neuralink官网宣布他们即将发布第一款商业化产品N1 Link，帮助四肢瘫痪的人们重新获得“数字自由”。美国佐治亚理工学院也在7月发表了一项有关脑机接口系统的研究，该系统可以结合无线柔软电子器件和虚拟现实技术，让用户通过想象一个动作，来无线控制轮椅或机械臂。
尽管脑机接口市场正在逐步有一些成果，但目前很多脑机设备在医疗领域的应用都还是试验性质，真正规模量产应用，甚至真正能帮助到多数患者，还有非常长的路要走，普及脑机接口的任务任重道远。
来源：Tech Xplore
