陳天橋雒芊芊研究院腦研究重大進展,腦電波預測行為!
2021年04月14日10:56

  來源:DeepTech深科技

  人類在腦研究上又有新進展!近日,陳天橋雒芊芊研究院在腦電波研究上獲得重大突破,在國際頂刊《神經元》刊發了相關論文。

圖丨相關論文(來源:《神經元》)
圖丨相關論文(來源:《神經元》)

  在實踐中,功能性超聲波治療(functional ultrasound neuroimaging, fUS)針對治療,已有許多應對策略,例如與磁共振成像 MRI 互相配合,以達到準確掌握疾病部位以及把握治療狀態的目的。

  為研究 fUS 技術是否成功,研究人員用兩隻恒河猴做了實驗,這兩隻猴子是非人類靈長類動物。研究團隊在猴子的頭骨中,植入約 4~5cm² 的超聲波換能器,給猴子發佈任務指令,猴子們會在特定的提示下,向指定方向移動眼睛、手臂等部位。

圖 | 研究人員通過一系列猴子大腦的超聲波圖像預測其運動意圖(來源:SUMNER NORMAN)
圖 | 研究人員通過一系列猴子大腦的超聲波圖像預測其運動意圖(來源:SUMNER NORMAN)

  為檢驗 fUS 的準確性,研究人員把 fUS 的腦成像活動與電生理學數據對比,並且在陳天橋雒芊芊研究院的支援下,通過圖像變化,來追蹤猴子的腦活動變化,從而解碼猴子的行為意圖。

  最後,研究團隊將 fUS 成像數據和對應的任務,通過深度學習進行算法處理,從而瞭解大腦活動模式與指定任務的關係。

  簡單來說,研究團隊通過 fUS 記錄大腦活動,準確率高達 70% 以上。功能性超聲波治療方法的優勢在於, 這一電極解像度為 100 微米,單個神經元大小約為 10 微米,它使用的是侵入式腦機接口方式,但能夠做到不傷害腦組織。

圖丨腦神經元(來源:Pixabay)
圖丨腦神經元(來源:Pixabay)

  在治療腦疾時,傳統手術治療將超聲波穿透顱骨,需要在患者顱骨上鑽孔。而 fUS,這種功能性超聲波技術的重要性在於,只需患者剃頭,無須做開顱手術,從而可避免手術出血以及感染風險。

  這項研究將對治療中風、癱瘓等腦部疾病有幫助,也對人瞭解腦神經作用機製、研究腦神經調控、腦機接口提供科學依據。但在介紹腦電波、腦機接口研究進展之前,有必要先介紹一下陳天橋雒芊芊研究院。

  陳天橋:研究腦科學是攀登另一座高峰

  陳天橋雒芊芊研究院(Tianqiao and Chrissy Chen Institute,TCCI),由前中國首富陳天橋和妻子雒芊芊投資創辦,旨在研究人類的大腦,以促進與腦相關的治病治療,研究院設立在美國加州理工學院。

  陳天橋雒芊芊夫婦的研究資金也投給了加州理工學院,此前陳天橋頂著中國首富的身份給美國投資大筆資金做研究,也曾引起過熱議。但其回答很簡單:“我只選擇距離球門最近的人,誰最有可能進球我選擇誰。”

 圖丨陳天橋雒芊芊夫婦(來源:TCCI 官網)
 圖丨陳天橋雒芊芊夫婦(來源:TCCI 官網)

  曾成為中國首富的陳天橋多次問自己:“我能為人類的發展做些什麼?” 他當時深受驚恐症折磨,2009 年那次發病,讓陳天橋決定放下盛大一切,前往新加坡休養,直到 2017 年才露面。

  這之後,他曾對媒體談及放棄盛大的原因:“有兩個月,每天晚上看著夕陽西下都會呼吸困難,覺得自己不會再醒來,需要寫遺囑,我必須得離開,一個人一輩子死一次就已經很痛苦了。兩個月,我幾乎每天晚上死一次。”

  在新加坡,陳天橋有大把時間思考人生,也許是深受瀕死感的折磨,他最終決定研究腦科學。投資之前,他託人從複旦大學借出 20 多本腦科學專業書籍,仔細研究了兩年,借此建設了對腦科學認知的基礎。

  在考察哈佛、斯坦福等國內外知名高校後,他最終決定把研究院建在加州理工大學,原因是該校擁有腦科學研究的悠久歷史。

  針對腦科學研究,他曾表示:“腦機接口路線上的研究重點,是如何讓植入的芯片更安全、信道更多、數據更準確的問題。對於病人應該以治病為主,一切最新技術,一切可行手段都要使用,包括開顱。”

 圖丨腦電波、腦機接口和人形機器人(來源:Pixabay)
 圖丨腦電波、腦機接口和人形機器人(來源:Pixabay)

  離開盛大,跟陳天橋妻子雒芊芊的鼓勵分不開。從頂峰下來,離開自己一手創辦的公司,再攀登另一座頂峰談何容易?妻子雒芊芊鼓勵他:“大多數人一生只能攀登一座高峰,但你或許可以攀登第二座、第三座高峰。”

  陳天橋認為,腦科學研究是可以研究一輩子的領域,他也曾對大眾自陳研究腦科學的決心:“創立盛大,我想了三天,做這件事,我想了三年。打造盛大,我們花了十多年的時間,為這件事,我可以投入一輩子。”

  此前大約每隔 10 年,就會有科學家說,“下一個 10 年是腦科學的 10 年”。實際上,腦科學研究沒有實質性進展。對於腦科學研究的突破,是整個產業的強烈期盼,例如 AI 想要真正取得進展,就不可能不研究大腦。可以說,腦科學研究只要進一步,就會生出一步的歡喜。

圖丨人工智能和類人大腦(來源:Pixabay)
圖丨人工智能和類人大腦(來源:Pixabay)

  此前,該研究院關於腦電波的研究,曾被國內外媒體爭相報導。為從更深刻、且更受大眾歡迎的角度解讀腦電波研究的意義,DeepTech 採訪到奮鬥在一線的腦機接口青年學者眭亞楠和伍冬睿。

  超聲波治療已在路上,但治療精神類疾病還有一段路要走

  當前,大眾對腦電波、腦機接口已經不陌生。對於給腦機接口下一個簡單的定義,華中科技大學人工智能與自動化學院腦機接口與機器學習實驗室主任伍冬睿認為,腦機接口(Brain-Computer Interface,BCI)是指通過在人腦神經與計算機、機器人等外部設備間建立直接連接通路,來實現神經系統和外部設備間信息交互與功能整合的技術。

  腦機交互是人機交互的終極手段,可幫助殘疾人修復視覺、聽覺等感知功能和運動功能。簡單來說,就是實現用意念控制機器。

 圖 | 腦機接口系統組成部分(來源:受訪者)
 圖 | 腦機接口系統組成部分(來源:受訪者)

  腦機接口在治療領域的應用有哪些?

  第一,腦機接口在治療領域,最顯著的應用是替代作用。腦機接口系統的輸出,可能取代由於損傷或疾病而喪失的自然輸出。例如,因事故導致高位截癱的患者等重度運動障礙患者群體,是此類腦機接口系統的重要應用對象。

  第二,腦機接口具有恢復作用,它的輸出可以恢復喪失的功能。例如,中風患者在失去肢體控制能力後,也可通過腦機接口技術對患者大腦運動皮層進行訓練,以幫助病人進行康復。

  第三,腦機接口也可以用於神經系統疾病治療。例如,帕金森病、特發性震顫、肌張力障礙等運動功能障礙疾病,可通過腦機接口調控特定神經活動,使患者恢復運動能力。

  第四,腦機接口在健康人身上的應用也很廣泛。伍冬睿表示,“腦機接口能幫助健康人實現機能的擴展。在工程心理學領域,機動車駕駛員、飛行員、航空空中交通管製員等特殊作業崗位人員的認知負荷、疲勞程度等狀態對於作業績效、工作安全都十分重要。在控制領域,除了手控方法之外,還能增加腦控方式,從而實現多模態控制。在遊戲娛樂領域,腦機接口為遊戲玩家提供了獨立於傳統遊戲控制方式之外的新的操作維度,豐富了遊戲內涵並提升了遊戲體驗。”

圖  |  虛擬現實技術(來源:Pixabay)
圖 | 虛擬現實技術(來源:Pixabay)

  談及腦機接口的方式,清華大學助理教授眭亞楠告訴 DeepTech:“腦機接口分為侵入式、非侵入式和微侵入式(半侵入式)。侵入式腦機接口需要通過手術在中樞神經系統植入電極或芯片,這一方式能實現更精準的腦神經活動記錄與調控。但是,因為排異反應和可能的大腦損傷等風險,目前侵入式腦機接口系統在動物上應用較多,相關研究也多限於神經系統損傷和疾病患者等臨床特殊群體。”

  “而非侵入式腦機接口無需動手術,直接從皮膚表面採集腦活動信號或進行神經調控,這一方式可避免因手術造成的腦損傷和感染,但獲得的神經信號空間解像度較低,也很難實現靶向神經調控。微侵入式腦機接口仍需要打開顱骨植入電極,但是電極位置較淺,在大腦皮層硬膜之外,所以手術風險比侵入式要小。” 眭亞楠補充道。

圖丨腦機接口系統的信號來源和特徵(來源:受訪者)
圖丨腦機接口系統的信號來源和特徵(來源:受訪者)

  據瞭解,陳天橋雒芊芊研究院能通過腦電波,預測被試者的下一步行動。那麼,腦機接口可以通過調控神經治療精神類疾病嗎?這是很多患者家屬特別關心的問題。

  眭亞楠表示:“人類神經系統的結構和功能非常複雜,我們對大腦內部神經編碼和解碼程式的瞭解還很有限。我們可以通過電磁神經調控技術,對抑鬱症、強迫症、自閉症、創傷性應激障礙等疾病進行干預治療。超聲腦機接口是一個重要的研究方向,目前離神經精神類疾病的臨床治療還有一定距離。”

  伍冬睿表示,無論是何種腦機接口應用,其當前可實現的性能距離人們在科幻作品中的設想,還有很長的路要走。除了傳感技術上的局限外,更關鍵的挑戰在於人類對大腦工作機製的瞭解還十分有限。

  不過,隨著近年來世界各國紛紛啟動腦計劃,如美國的 BRAIN Initiative、歐盟的 Human Brain Project、日本 Brain/Minds Project、中國腦計劃(即腦科學與類腦科學研究)等,有望在不久的將來在腦研究方面取得突破性的進展,從而為腦機接口技術的進一步發展帶來全新的機遇。

  腦研究的終極問題是死亡和永生:你聽說過 “2045”計劃嗎?

  《文學回憶錄》中說:“太陽,將會冷卻,地球在太陽系毀滅之前,就要出現冰河期,人類無法生存。可是末日看來還遠,教堂、博物館、美術館、圖書館,煞有介事,莊嚴肅穆,昔在今在永在的樣子 —— 其實都是毀滅前的景觀。”

  但是,如果人的意識可以永遠存在呢?徹底拋棄身體,完全生活在虛擬世界。

  吃喝、擁抱、感覺,從味蕾到大腦、從雙手到脊柱的功能全部可以用電信號模擬。是不是覺得拋棄身體,完全生活在虛擬世界很瘋狂,素有 “駭客之王” 稱號的沃特・奧布萊恩卻說:“這不是個瘋狂的妄想,而是終將來臨的,只是時間問題。”

圖丨沃特・奧布萊恩(Walter O‘Brien)(來源:受訪者)
圖丨沃特・奧布萊恩(Walter O‘Brien)(來源:受訪者)

  2017 年,沃特・奧布萊恩發表了頗有爭議性的見解,你的身體其實並不是你,只有意識和記憶是屬於你自己的,說白了,只有大腦才是你。大腦是什麼?無非是 2.5 拍字節(Petabyte,PB,1PB=1000TB)的存儲器,以及 1000 億個神經元而已。

圖丨 “2045” 計劃網站( 來源:2045.com)
圖丨 “2045” 計劃網站( 來源:2045.com)

  按照摩爾定律,2025 年,芯片將包含 1000 億個晶體管,硬盤在同樣時間點也會達到 2.5 PB。這就意味著,花 300 美元就能得到一個和人類大腦一樣複雜的設備。

  所以十年後,備份大腦、備份腦電波活動將成為可能。雖然這不是人工智能,但完全能複製神經元及其連接。

  目前,人類已經在幹細胞研究領域有了長足進步,只需要取得你的 DNA 進行複製,四年後就可以造出 20 歲版本的你。我可以隨時下載、上傳你的大腦,讓你的身體永遠停留在 20 歲的狀態。

  這還只是 “2045” 計劃的第一步,後面的會更瘋狂。這個計劃的基礎就是以某種形式保存大腦、備份大腦、再重新載入大腦。當然,這個計劃要等到 2045 年,還有 29 年的時間來實現。

 圖 | 關於永生的相關概念圖(來源:Pixabay)
 圖 | 關於永生的相關概念圖(來源:Pixabay)

  總結一下,沃特・奧布萊恩認為,身體只是一個物理交通工具,意識才是司機。 人類花費幾十年去研究癌症、愛滋病、肌萎縮側索硬化症等疾病,但至今沒有有效的治癒方法。

  既如此,就把壞掉的身體扔掉,讓備份大腦、備份腦電波活動成為可能。在依靠人類在幹細胞研究領域的進步,只需取得某人 DNA 進行複製,四年後就可以造出 20 歲版本的身體。那時可以隨時下載、上傳這個人的大腦,讓身體永遠停留在 20 歲的狀態。

  簡單來說,沃特・奧布萊恩的職業目標是實現意識不滅的永生。從終極目標上講,馬斯克、陳天橋等人與沃特・奧布萊恩一樣。也正是他們這樣有影響力的人,把腦機接口、腦電波研究、人工智能等科學性話題,往大眾面前推了一步。

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