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陈天桥雒芊芊研究院脑研究重大进展,脑电波预测行为!专家:超声波治疗已在路上丨对话青年科学家

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  人类在脑研究上又有新进展!近日,陈天桥雒芊芊研究院在脑电波研究上获得重大突破,在国际顶刊《神经元》刊发了相关论文。

  

  图丨相关论文(来源:《神经元》)

  在实践中,功能性超声波治疗(functional ultrasound neuroimaging, fUS)针对治疗,已有许多应对策略,例如与磁共振成像 MRI 互相配合,以达到准确掌握疾病部位以及把握治疗状态的目的。

  为研究 fUS 技术是否成功,研究人员用两只恒河猴做了实验,这两只猴子是非人类灵长类动物。研究团队在猴子的头骨中,植入约 4~5cm² 的超声波换能器,给猴子发布任务指令,猴子们会在特定的提示下,向指定方向移动眼睛、手臂等部位。

  

  图 | 研究人员通过一系列猴子大脑的超声波图像预测其运动意图(来源:SUMNER NORMAN)

  为检验 fUS 的准确性,研究人员把 fUS 的脑成像活动与电生理学数据对比,并且在陈天桥雒芊芊研究院的支持下,通过图像变化,来追踪猴子的脑活动变化,从而解码猴子的行为意图。

  最后,研究团队将 fUS 成像数据和对应的任务,通过深度学习进行算法处理,从而了解大脑活动模式与指定任务的关系。

  简单来说,研究团队通过 fUS 记录大脑活动,准确率高达 70% 以上。功能性超声波治疗方法的优势在于, 这一电极分辨率为 100 微米,单个神经元大小约为 10 微米,它使用的是侵入式脑机接口方式,但能够做到不伤害脑组织。

  

  图丨脑神经元(来源:Pixabay)

  在治疗脑疾时,传统手术治疗将超声波穿透颅骨,需要在患者颅骨上钻孔。而 fUS,这种功能性超声波技术的重要性在于,只需患者剃头,无须做开颅手术,从而可避免手术出血以及感染风险。

  这项研究将对治疗中风、瘫痪等脑部疾病有帮助,也对人了解脑神经作用机制、研究脑神经调控、脑机接口提供科学依据。但在介绍脑电波、脑机接口研究进展之前,有必要先介绍一下陈天桥雒芊芊研究院。

  陈天桥:研究脑科学是攀登另一座高峰

  陈天桥雒芊芊研究院(Tianqiao and Chrissy Chen Institute,TCCI),由前中国首富陈天桥和妻子雒芊芊投资创办,旨在研究人类的大脑,以促进与脑相关的治病治疗,研究院设立在美国加州理工学院。

  陈天桥雒芊芊夫妇的研究资金也投给了加州理工学院,此前陈天桥顶着中国首富的身份给美国投资大笔资金做研究,也曾引起过热议。但其回答很简单:“我只选择距离球门最近的人,谁最有可能进球我选择谁。”

  

  图丨陈天桥雒芊芊夫妇(来源:TCCI 官网)

  曾成为中国首富的陈天桥多次问自己:“我能为人类的发展做些什么?” 他当时深受惊恐症折磨,2009 年那次发病,让陈天桥决定放下盛大一切,前往新加坡休养,直到 2017 年才露面。

  这之后,他曾对媒体谈及放弃盛大的原因:“有两个月,每天晚上看着夕阳西下都会呼吸困难,觉得自己不会再醒来,需要写遗嘱,我必须得离开,一个人一辈子死一次就已经很痛苦了。两个月,我几乎每天晚上死一次。”

  在新加坡,陈天桥有大把时间思考人生,也许是深受濒死感的折磨,他最终决定研究脑科学。投资之前,他托人从复旦大学借出 20 多本脑科学专业书籍,仔细研究了两年,借此建设了对脑科学认知的基础。

  在考察哈佛、斯坦福等国内外知名高校后,他最终决定把研究院建在加州理工大学,原因是该校拥有脑科学研究的悠久历史。

  针对脑科学研究,他曾表示:“脑机接口路线上的研究重点,是如何让植入的芯片更安全、信道更多、数据更准确的问题。对于病 人应该以治病为主,一切最新技术,一切可行手段都要使用,包括开颅。”

  

  图丨脑电波、脑机接口和人形机器人(来源:Pixabay)

  离开盛大,跟陈天桥妻子雒芊芊的鼓励分不开。从顶峰下来,离开自己一手创办的公司,再攀登另一座顶峰谈何容易?妻子雒芊芊鼓励他:“大多数人一生只能攀登一座高峰,但你或许可以攀登第二座、第三座高峰。”

  陈天桥认为,脑科学研究是可以研究一辈子的领域,他也曾对大众自陈研究脑科学的决心:“创立盛大,我想了三天,做这件事,我想了三年。打造盛大,我们花了十多年的时间,为这件事,我可以投入一辈子。”

  此前大约每隔 10 年,就会有科学家说,“下一个 10 年是脑科学的 10 年”。实际上,脑科学研究没有实质性进展。对于脑科学研究的突破,是整个产业的强烈期盼,例如 AI 想要真正取得进展,就不可能不研究大脑。可以说,脑科学研究只要进一步,就会生出一步的欢喜。

  

  图丨人工智能和类人大脑(来源:Pixabay)

  此前,该研究院关于脑电波的研究,曾被国内外媒体争相报道。为从更深刻、且更受大众欢迎的角度解读脑电波研究的意义,DeepTech 采访到奋斗在一线的脑机接口青年学者眭亚楠和伍冬睿。

  超声波治疗已在路上,但治疗精神类疾病还有一段路要走

  当前,大众对脑电波、脑机接口已经不陌生。对于给脑机接口下一个简单的定义,华中科技大学人工智能与自动化学院脑机接口与机器学习实验室主任伍冬睿认为,脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)是指通过在人脑神经与计算机、机器人等外部设备间建立直接连接通路,来实现神经系统和外部设备间信息交互与功能整合的技术。

  脑机交互是人机交互的终极手段,可帮助残疾人修复视觉、听觉等感知功能和运动功能。简单来说,就是实现用意念控制机器。

  

  图 | 脑机接口系统组成部分(来源:受访者)

  脑机接口在治疗领域的应用有哪些?

  第一,脑机接口在治疗领域,最显著的应用是替代作用。脑机接口系统的输出,可能取代由于损伤或疾病而丧失的自然输出。例如,因事故导致高位截瘫的患者等重度运动障碍患者群体,是此类脑机接口系统的重要应用对象。

  第二,脑机接口具有恢复作用,它的输出可以恢复丧失的功能。例如,中风患者在失去肢体控制能力后,也可通过脑机接口技术对患者大脑运动皮层进行训练,以帮助病人进行康复。

  第三,脑机接口也可以用于神经系统疾病治疗。例如,帕金森病、特发性震颤、肌张力障碍等运动功能障碍疾病,可通过脑机接口调控特定神经活动,使患者恢复运动能力。

  第四,脑机接口在健康人身上的应用也很广泛。伍冬睿表示,“脑机接口能帮助健康人实现机能的扩展。在工程心理学领域,机动车驾驶员、飞行员、航空空中交通管制员等特殊作业岗位人员的认知负荷、疲劳程度等状态对于作业绩效、工作安全都十分重要。在控制领域,除了手控方法之外,还能增加脑控方式,从而实现多模态控制。在游戏娱乐领域,脑机接口为游戏玩家提供了独立于传统游戏控制方式之外的新的操作维度,丰富了游戏内涵并提升了游戏体验。”

  

  图 | 虚拟现实技术(来源:Pixabay)

  谈及脑机接口的方式,清华大学助理教授眭亚楠告诉 DeepTech:“脑机接口分为侵入式、非侵入式和微侵入式(半侵入式)。侵入式脑机接口需要通过手术在中枢神经系统植入电极或芯片,这一方式能实现更精准的脑神经活动记录与调控。但是,因为排异反应和可能的大脑损伤等风险,目前侵入式脑机接口系统在动物上应用较多,相关研究也多限于神经系统损伤和疾病患者等临床特殊群体。”

  “而非侵入式脑机接口无需动手术,直接从皮肤表面采集脑活动信号或进行神经调控,这一方式可避免因手术造成的脑损伤和感染,但获得的神经信号空间分辨率较低,也很难实现靶向神经调控。微侵入式脑机接口仍需要打开颅骨植入电极,但是电极位置较浅,在大脑皮层硬膜之外,所以手术风险比侵入式要小。” 眭亚楠补充道。

  

  图丨脑机接口系统的信号来源和特征(来源:受访者)

  据了解,陈天桥雒芊芊研究院能通过脑电波,预测被试者的下一步行动。那么,脑机接口可以通过调控神经治疗精神类疾病吗?这是很多患者家属特别关心的问题。

  眭亚楠表示:“人类神经系统的结构和功能非常复杂,我们对大脑内部神经编码和解码程序的了解还很有限。我们可以通过电磁神经调控技术,对抑郁症、强迫症、自闭症、创伤性应激障碍等疾病进行干预治疗。超声脑机接口是一个重要的研究方向,目前离神经精神类疾病的临床治疗还有一定距离。”

  伍冬睿表示,无论是何种脑机接口应用,其当前可实现的性能距离人们在科幻作品中的设想,还有很长的路要走。除了传感技术上的局限外,更关键的挑战在于人类对大脑工作机制的了解还十分有限。

  不过,随着近年来世界各国纷纷启动脑计划,如美国的 BRAIN Initiative、欧盟的 Human Brain Project、日本 Brain/Minds Project、中国脑计划(即脑科学与类脑科学研究)等,有望在不久的将来在脑研究方面取得突破性的进展,从而为脑机接口技术的进一步发展带来全新的机遇。

  脑研究的终极问题是死亡和永生:你听说过 “2045”计划吗?

  《文学回忆录》中说:“太阳,将会冷却,地球在太阳系毁灭之前,就要出现冰河期,人类无法生存。可是末日看来还远,教堂、博物馆、美术馆、图书馆,煞有介事,庄严肃穆,昔在今在永在的样子 —— 其实都是毁灭前的景观。”

  但是,如果人的意识可以永远存在呢?彻底抛弃身体,完全生活在虚拟世界。

  吃喝、拥抱、感觉,从味蕾到大脑、从双手到脊柱的功能全部可以用电信号模拟。是不是觉得抛弃身体,完全生活在虚拟世界很疯狂,素有 “黑客之王” 称号的沃特?奥布莱恩却说:“这不是个疯狂的妄想,而是终将来临的,只是时间问题。”

  

  图丨沃特?奥布莱恩(Walter O'Brien)(来源: 受访者)

  2017 年,沃特?奥布莱恩发表了颇有争议性的见解,你的身体其实并不是你,只有意识和记忆是属于你自己的,说白了,只有大脑才是你。大脑是什么?无非是 2.5 拍字节(Petabyte,PB,1PB=1000TB)的存储器,以及 1000 亿个神经元而已。

  

  图丨 “2045” 计划网站( 来源:2045.com)

  按照摩尔定律,2025 年,芯片将包含 1000 亿个晶体管,硬盘在同样时间点也会达到 2.5 PB。这就意味着,花 300 美元就能得到一个和人类大脑一样复杂的设备。

  所以十年后,备份大脑、备份脑电波活动将成为可能。虽然这不是人工智能,但完全能复制神经元及其连接。

  目前,人类已经在干细胞研究领域有了长足进步,只需要取得你的 DNA 进行克隆,四年后就可以造出 20 岁版本的你。我可以随时下载、上传你的大脑,让你的身体永远停留在 20 岁的状态。

  这还只是 “2045” 计划的第一步,后面的会更疯狂。这个计划的基础就是以某种形式保存大脑、备份大脑、再重新载入大脑。当然,这个计划要等到 2045 年,还有 29 年的时间来实现。

  

  图 | 关于永生的相关概念图(来源:Pixabay)

  总结一下,沃特?奥布莱恩认为,身体只是一个物理交通工具,意识才是司机。人类花费几十年去研究癌症、艾滋病、肌萎缩侧索硬化症等疾病,但至今没有有效的治愈方法。

  既如此,就把坏掉的身体扔掉,让备份大脑、备份脑电波活动成为可能。在依靠人类在干细胞研究领域的进步,只需取得某人 DNA 进行克隆,四年后就可以造出 20 岁版本的身体。那时可以随时下载、上传这个人的大脑,让身体永远停留在 20 岁的状态。

  简单来说,沃特?奥布莱恩的职业目标是实现意识不灭的永生。从终极目标上讲,马斯克、陈天桥等人与沃特?奥布莱恩一样。也正是他们这样有影响力的人,把脑机接口、脑电波研究、人工智能等科学性话题,往大众面前推了一步。

  -End-

  

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