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脑科学万字研究:开颅打洞接电线,你敢不敢?

来源:泉州网站建设   时间 : 2019-08-11 13:17  编辑 : 泉州网站建设

图片来源@视觉中国 文 | 深响,作者|赵宇 本文适合对脑科学感兴趣的同学们阅读,核心要点如下: ●

脑科学万字研究:开颅打洞接电线,你敢不敢?

图片来源@视觉中国

文 | 深响,作者|赵宇

本文适合对脑科学感兴趣的同学们阅读,核心要点如下:

● 脑科学的基本概念、应用价值

● 世界各国的人类脑科学研究计划

● 类脑智能的研究进展和产业落地情况

7月17日,“钢铁侠”Elon Musk又搞了个大新闻,宣布名下Neuralink公司已经找到了高效实现脑机接口的方法,一时间引发网友热议。

成立于2017年的Neuralink,是一家研发超脑带宽的脑机接口,实现与人工智能共存共生的初创公司。Neuralink团队此次的突破,也让充满神秘色彩的脑科学再次进入大众视野。

脑科学这个概念本身并不新鲜。2004年4月,美国的《Science》杂志庆祝创刊125周年时,就邀请了全球几百位科学家列出他们认为当今世界最重要的前沿科学问题,最后归纳为125个,其中有18个问题属于脑科学。

脑科学万字研究:开颅打洞接电线,你敢不敢?

在全球科学界久负盛名的《自然》杂志

排在最前面的脑科学问题包括意识的生物学基础、记忆的储存与恢复、人类的合作行为、成瘾的生物学基础、精神分裂症和自闭症的成因等,都是当时人们普遍关心且未被解决的重大问题。

尽管问卷是15年前做的,但直到现在公认的重大脑科学问题依旧没有变化。

大脑是人体最重要的器官,也可能是宇宙间最复杂的物体——约有1000亿个神经元,每个神经元与10万个类似的神经元相连,而且每个神经元的放电模式不同,编码模式不同,信息处理方式也不一样。

为了观测大脑结构、洞悉规律,两百年来科学家们可谓煞费苦心。有科学家表示,目前人类仅仅探明了大脑结构的5%,远远不能满足解决实际问题的需要。

因此,在介观(处于宏观和微观之间的状态)和微观层面对大脑做进一步的探索,弄清楚大脑的联接图谱和结构图谱,并在此基础上制造出像人一样智慧的机器,就成为当今脑科学研究最重要的发展方向,脑科学也随着各国政府、企业和学术界的投入,成为了一个炙手可热的新产业。

脑科学包括哪些领域?

想要了解脑科学未来能带来哪些产业机会,首先还是必须了解脑科学目前的学科领域与研究进展。

脑科学也被叫做认知科学,它是一种探索大脑是如何工作的科学——如何思考、如何记忆、如何学习等。脑科学并不仅仅指的是Elon Musk所醉心的“脑后插管”,现今的脑科学研究大致可以分为以下三个领域:脑疾病防治研究、脑机接口研究和类脑智能研究。

其中:

脑疾病防治指对科学家通过总结大脑活动的一般规律,对人们可能出现的重大脑疾病做出诊断和干预;

脑机接口是通过电极或其他手段,获取大脑神经活动的信息,通过机器学习的处理和模式识别,转换成指令从而控制其他设备;

类脑智能则是指类脑计算机器人、大数据处理等方面的研究和开发。

在这些不同的方向上,研究脑科学又各能产生哪些价值?

脑科学研究的应用价值

防治重大脑疾病

通过建立对大脑工作机制的科学认知,首先能为我们带来价值的,就是未来可能能找到防治各类重大脑疾病的治疗方法。如何维持健康的大脑发育以及智力发育,都是非常重要的社会问题。

在所有的脑疾病中,幼年期的自闭症或者孤独症和智障,中年期的抑郁症和成瘾,老年期的阿尔茨海默症和帕金森症等退行性脑疾病等,都属于重大脑疾病。对于重大脑疾病的的诊断和干预,会成为未来数十年脑科学领域一项非常重要的研究内容。

根据世界卫生组织的统计,包括各种神经类和精神类疾病在内的脑相关疾病,是所有疾病里社会负担最大的,占到了28%,超过了心血管疾病和癌症。

社会结构的变化,也让脑疾病对未来社会发展的挑战持续上升。中科院院士、中科院神经科学研究所所长蒲慕明就曾表示:“中国已进入老龄化社会,防治各种与老龄化相关的脑疾病迫在眉睫。以阿尔茨海默症为例,假如没有很好的治疗方法,在85岁以上的老年人中,平均1/3的人有发病的可能。”

蒲慕明也曾提到过,如果我们通过脑科学的研究找到治疗方案,能够在15年之后,把老年痴呆的发病期从85岁延缓到95岁,对社会而言就是一个巨大的贡献。

此外,将脑科学应用在军事领域也是各国目前在探索的方向之一。相较于漫威电影中天马行空的想象,目前在军事方面的研究,更关注的是如何帮助军事人员提高健康防护水平、增强军事认知效能。

中国军事科学院研究员吴海涛就曾撰文指出,即便是在目前的技术水平下,“创伤性脑损伤,和以创伤后应激障碍综合征为代表的军因性脑损伤仍将大量存在。”所以,把脑科学应用在军事领域,开发脑保护与认知增强方面的新型技术手段,就有机会为军事作业提供更多人道保障。

人机思想互动

除了脑疾病以外,类似Neuralink所做的人机思想互动方向,也可能在医疗健康方面为我们带来不小的贡献。

如果人机思想互动所使用的脑接口技术能够在未来成熟并得到推广,人类就可以通过大脑间的直接交流交换思想,用思想控制机器更是不在话下。那么,脑机接口就有望帮助癫痫、渐冻症等病症患者恢复感觉和运动功能,在神经系统疾病的治疗当中也大有可为。

从技术层面来看,脑机接口本质上是一种全新的信息沟通与交互界面,目前主要分为侵入式和非侵入式两大类。这两种方式各有优劣,侵入式更精确,可以编码更复杂的命令,比如三维运动,但手术创伤不可避免;非侵入式电极这种头皮贴片虽然方便,无需开颅植入,但是能探测到的脑电信号范围和精确度有限。

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本次Neuralink的突破就出现在侵入式的领域中:通过激光「打孔器」,和「缝纫机」,将一条只有人头发丝 1/4 粗细的线路植入脑中,以类似微创手术的方式,将侵入式的解决方案对脑部的损伤降到最低,让侵入式的方案更有可能被人们接纳。

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Neuralink打孔器干起活来有点像缝纫机

实现类脑智能

脑科学的另外一个重要应用方向是类脑智能,也是我们所更为熟悉的人工智能的一个分支方向:人工智能目前存在两条技术发展路径,一条是以模型学习驱动的数据智能,另外一条是以认知仿生驱动的类脑智能。

当前阶段,人工智能发展的主流技术路线是数据智能,但是数据智能存在局限性,比如数据智能需要海量数据和高质量的标注、高度依赖模型构建、计算资源消耗大、仅能解决特定场景的问题等。

之所以会有这些局限,是因为目前计算机普遍采用的图灵机模型取决于人对物理世界的认知程度,从根本上限制了机器描述问题、解决问题的程度。计算机程序是预先设定好的,无法根据环境和需求变化进行自我演化。

类脑智能则有效突破了图灵机的局限和不足,是人工智能发展的必要路径,它受脑结构与机制、认知行为机制启发,以计算建模为手段,意图通过软硬件协同实现机器智能。

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