探索的是“纳美人”的秘密

这个实验室

探访顶尖实验室

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四川省脑科学与类脑智能研究院

2018年在电子科技大学成立，是国内“脑与信息”交叉领域唯一成建制的研究基地。

该研究院定位于国家战略性重大需求，构建“脑机制、算法、仪器/芯片到系统”的创新体系，突破脑智科学、类脑智能等“卡脖子”技术，努力引领国家与地方脑智产业发展。

“用意念和能量，能使熟鸡蛋返生孵出小鸡”，最近，荒唐的“熟蛋返生说”成为网络热点，也引发大家对“意念控物”的思考。

那么，严谨的科学家如何看待“意念控物”呢？

事实上，在“大胆猜想，小心求证”的道路上，“意念控物”是脑科学家们研究的一大方向，被称为“脑机接口”技术。5月12日，《Nature》发布最新一期封面研究：斯坦福大学研究人员开发了一项新的“脑机接口”技术，能使瘫痪患者直接将脑海里的“想法”转换为电脑屏幕上的手写文字。

“意念控物”有哪些畅想？它的科学原理是什么？又面临哪些技术瓶颈？近日，记者走进电子科技大学的省脑科学与类脑智能研究院，一探“脑机接口”的秘密。

□四川日报全媒体记者 高杲

何谓“意念控物”？

从大脑提取信号，翻译成指令来控制外部设备的过程

在电影《阿凡达》中，每个纳美人都有一个“接口”，它使得纳美人能够用意念与各个物种直接进行交流，纳美人“即插即用的万能接口”在现实社会中其实已有了概念及雏形，它就是“脑机接口”。在现实生活中，它不仅能实现精神交流，还能“意念控物”。

省脑科学与类脑智能研究院工作人员刘博向记者做了“意念控物”的演示：戴上一顶特制的帽子，在无人机上安置一枚接收器，测试人员只需观看电脑的提示画面，不需做任何动作，就可以控制无人机飞行。

准确率如何？“如果只是上下左右的飞行，准确率可以达到90%以上；如果进行平滑连续性操作，准确率超过80%。”从刘博反馈的过往数据看，“意念控物”的效果似乎不错。

应用的广度又如何？“除了无人机，机械臂和游戏也可以通过意念来控制。”刘博透露，目前已经测试了多款游戏，应用比较多的是一款跑酷游戏，因为它能更好测试大脑的反应速度。

过去几年，“意念控物”的案例并不鲜见，其中最被人所熟知的是硅谷“钢铁侠”埃隆·马斯克及其创立的Neuralink公司。去年，马斯克将一枚硬币大小的芯片植入一只小猪的大脑，让它通过嗅觉识别物体，每当它“吸鼻子”的时候，脑里发出的神经信号就会被采集到，工作人员就可以预测它的运动步态。

马斯克表示，未来“脑机接口”技术将可以让你使用想象来召唤自己的座驾，也可以用意识来玩虚拟游戏。而在今年2月，他还发布了一段猕猴玩“意念乒乓球”游戏的视频，这些工作在一定程度上代表了“意念控物”的最新进展。

“科学原理都是相似的。”省脑科学与类脑智能研究院院长尧德中表示，所谓“意念控物”，简单理解就是，从大脑直接提取信号，翻译成指令来控制外部设备的过程，而通过“脑机接口”实现“意念控物”大致分为4个步骤：采集脑电信号-信号预处理-解码信号-指令传输。

再进一步有多难？

获取大脑信号的技术难，解码信号也很难

既然有了科学路径，实现更为复杂的“意念控物”是否可期？尧德中坦言，距离高效稳健的“意念控物”还有漫长的路要走，而其中一个难点就是：信号的获取和解码。

首先是获取信号的技术难。为了更好地获取信号，业内已形成了不同的技术路径，比如可以根据是否有侵入性而把“脑机接口”分为三类：非侵入式、半侵入式、侵入式。非侵入式基于大脑头表的信号；半侵入式则将记录电极置于硬脑膜外或硬脑膜下；侵入式则直接将电极植入大脑皮层内。简单理解就是，非侵入式不需要“开脑洞”，而半侵入式和侵入式需要“开脑洞”。

“侵入式‘脑机接口’更靠近大脑皮层内的神经元，可以采集到更具体精准的信号，但安全性有待进一步研究。”尧德中表示，研究设计侵入式“脑机接口”需要扎实的医学专业知识，同时也对设备提出了更高要求。也由于这个原因，非侵入式“脑机接口”一直是业内最常用的方案，它更容易为普通人所接受。但大脑表面的信号干扰多，对信号处理又是一大挑战。

其次是需要解码的对象难。“脑机接口”所面对的是一个无比复杂而精密的系统：大脑既是传递、储存和加工各种信息的平台，又是思维的器官。它不仅能调控我们的行为，同时还能主导我们的心理过程和意识产生，要解开它的秘密谈何容易。另外，负责这些工作的脑细胞不仅数量多，种类也繁多。“以目前的技术，还无法做到单个神经元水平的解析。”尧德中提到，业内目前主要还是针对脑区进行研究，从而决定了解码结果的“模糊性”。

此外，人们对脑信号的认知还处于初步阶段。“目前我们对大脑的运作流程还处于知其然，而不知其所以然的阶段。”尧德中表示，如果没有找到大脑的语法规则，哪怕能采集到足够精细的脑区信号、做出解析，也无法真正理解大脑的运作方式。

为了更好、更快地推进人类对大脑的认识，近年国际上兴起了基于云脑信息平台的全球合作研究范式，“因为云平台能够把数据、工具和算力有效整合起来，为此，省脑科学与类脑智能研究院也推出了自己的国际化云平台WeBrain。”尧德中介绍。

掌握技术后能应用于哪些场景？

治疗疾病，挖掘大脑潜能，甚至实现数字永生

除了“意念控物”，“脑机接口”还能应用在哪些场景？

在实验室内，尧德中向记者描绘了这样一个场景：某位罹患脑部或神经疾病的患者在需要治疗时，尤其在吃药或者手术均无法治愈时，脑控游戏等干预方案可能会发挥作用。

为了让记者更好地理解这个畅想，他做了演示：通过对比被测试者的脑电波形和标准化的波形，从而获知脑部疾病的原因和程度。一旁的仪器根据诊断结果，生成包括脑控游戏在内的应对方案来对大脑进行干预，进而产生疗效。

“用物理治疗方式弥补药物、化学治疗无效的空缺。”但尧德中也提到，这样做有个前提——需要充分掌握脑部疾病的致病机制和机理。

除恢复健康外，“脑机接口”技术还可用于了解大脑的潜能。尧德中表示，国外一些机构甚至用它来选拔人才。

在实验室内有一个“游戏王国”，摆放了各种你能想到的游戏机：有玩体感游戏的XBOX、网络游戏的PC机、VR游戏的PS机，也有模拟飞行的游戏机等。尧德中表示，当被测试人员在进行游戏操控时，设备可同步记录下他的脑电信号，从而了解其工作效率与其神经信息之间的关系，如果能建立起稳健的关系，就可以对其岗位适应性作出初步的判断。

在研究院内，记者还看到了数字孪生大脑，这是一款模拟大脑基本功能的软件，也被视为数字永生的雏形。数字永生是一个假想概念，它可以将人的个性（性格）存储（或转移）到更耐用的媒体（即如计算机）中，并允许其在未来与人们进行交流。它像是一个虚拟角色，能够进行反应和思考，这一切都基于此人在数字档案里的记录。个体去世后，这个虚拟形象可以保持不变或继续自主学习和发展。

我们真的可以通过这款软件实现数字永生吗？尧德中给了一个模糊的答案：“是，也不是。”说它是，是因为它可以再现部分大脑的功能，如识别、运动、对话等；说它不是，是因为真实大脑拥有近千亿个神经元，而现有的数字模型仅有几百个单元，因此，“现在谈数字永生还太早，这个软件目前的功用主要还是辅助人们对大脑的认识。”

数字孪生大脑刚刚起步，其孕育的潜能却是巨大的——通过模仿人类神经系统的工作原理，成为一定意义上的通用智能系统，让人工智能更像人一样去思考和做决策。

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“脑科学”已成大国“必争之地”

脑科学是智能时代的压舱石，也是科技自立自强的必争之地。近年来，各国陆续启动抢占“大脑制高点”的科技行动，比如早在2013年，美国时任总统奥巴马就宣布启动了“创新性神经技术大脑研究”的美国脑计划。而几乎同时，欧盟推出了由15个欧洲国家参与、预期10年的“人类脑计划”。2014年，日本也启动了自己的脑计划。

在中国，“中国脑计划”“脑科学与类脑研究”已被列入国家“十四五”规划。此前北京天坛医院院长王拥军还曾向媒体透露，其投入规模将达到540亿元，由此可见，中国也即将迎来脑科学的春天，“脑机接口”无疑也将迎来新的更大发展。

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