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“神经科学+”的时代正扑面而来 精选

已有 6427 次阅读 2016-7-1 08:07 |个人分类:科学凹下去|系统分类:科普集锦

说明

1、本文是为一科普讲座准备的底稿。模仿“互联网+”的概念,提出了“神经科学+”的概念。从历史和现状来看,神经科学是多学科交叉的产物,而其发展又为其它学科和领域创造了新的知识、理论和方法。在可预见的未来,神经科学必将成为一个新的平台,整合多种学科和多种资源为文化、经济、社会等的发展提供新的理论和思路。

2、本文参考、借用了很多网络上的资料,抱歉无法一一致谢。在此需要特别指出的是:《世界脑计划研究报告暨互联网大脑计划建议》(刘锋)、《脑电智能硬件行业的未来在哪里?》(赵心源)、《The newscience of mind and the future of knowledge(Eric Kandel)、《脑机穿越:脑机接口改变人类未来》(Miguel A.Nicolelis)。感谢作者们的付出。

3、本人原来从事分子神经生物学研究,从20139月开始转入睡眠领域。讨论如此大跨度的问题,深感能力有限,力不从心。因此欢迎在此拍砖、讨论、赐教,也可邮件联系guoweihaha@126.com。谢谢大家!


正文

广义而言,脑科学是研究脑的结构和功能的科学。近些年来,脑科学研究计划在世界范围内风起云涌,如火如荼。这不仅会促进人类对脑工作机制的认识,为“认识脑、保护脑、创造脑”提供新的理论基础和思路,也必将与其它学科领域携手共进,从而对经济和社会生活产生深刻的影响。

一、世界范围内,脑科学研究计划的发展情况

20世纪90年代,美国发起了一场名为“脑的十年”的科学宣传运动,欧洲确定了“脑的二十年研究计划”,日本将21世纪视为“脑科学世纪”,这些计划提高了人们对脑研究重要性的认识。近些年来,随着经济、社会和技术的发展,多个国家或者大型企业均开始实施新的脑科学计划,旨在深入推进对于人脑和人工智能的认识。

2005年,瑞士科学家率先提出了“蓝脑计划”,希望能够复制人类的大脑。2013年,欧盟委员会将“人脑工程”列入“未来新兴技术旗舰计划”,力图集合多方力量,为基于信息通信技术的新型脑研究模式奠定基础,加速脑科学研究成果转化。德国、英国、瑞士等国也都先后推出本国的脑科学研究计划。

2013年4月,美国宣布启动“推进创新神经技术脑研究计划”(简称“脑计划”)。美国“脑计划”的具体事务由多个机构负责,这些机构侧重点各有不同。2014年6月,美国国立卫生研究院发布“脑计划”路线图,详细阐述了脑科学计划的研究目标、重点领域、实施方案、具体成果、时间与经费估算等。2014年8月,美国国家科学基金会宣布,将资助36项脑科学相关项目,涉及实时全脑成像、新的神经网络理论以及下一代光遗传学技术等。美国国防高级研究计划局近年来启动了数十项旨在提高对大脑动态和机制的了解、推进相关技术应用的项目,包括可靠神经接口技术项目、革命性假肢、恢复编码存储器集成神经装置、重组和加速伤势恢复项目、将模拟大脑用于复杂信号处理和数据分析项目等。美国能源部重点发展新型生物传感器和监测设备以监测关键分子在大脑中的工作过程。美国情报高级研究计划署则将继续研究应用神经科学。

2014年10月日本制定了“脑科学时代”计划,主要利用狨猴这种更接近人类的灵长类动物(可在一定程度上弥补因为鼠类和人类脑结构不同所造成的研究结论的缺陷),深入研究老年性痴呆和精神分裂症等神经精神类疾病。

时至今日,“中国脑计划”还没有正式启动,但是脑研究计划已经被列入“十三五”规划,上海、北京等地也已先后启动脑研究计划,力图在竞争日益激烈的脑科学研究中占据一席之地。目前,中国脑计划已逐步形成以脑认知原理的基础研究、脑重大疾病、类脑人工智能这三方面紧密交织的研究为“一体”“两翼”的研究格局。

另一方面,世界级互联网企业也推出了自己的人工智能研究计划,利用大数据等领域的新进展,深入研究人工智能,也将有助于对于人脑工作机制的认识。

2011年以来,GoogleX实验室实施了“谷歌大脑”工程,构建一个庞大的系统用于模拟人类的大脑神经网络,通过深度学习等神经网络技术和观看YouTube视频等方式,不断学习识别人脸、猫脸以及其他事物。Facebook建立了多个人工智能研究中心,以求建造能够理解海量数据的人工智能机器。2014年5月,百度开始实施“百度大脑”计划,希望能融合“深度学习”算法、数据建模、大规模图形处理器并行化平台等技术实现让更加“智能”的搜索。科大讯飞在2014年8月宣布启动“讯飞超脑”计划,目标就是要实现一个真正的中文的认知智能计算引擎。2014年6月,爱奇艺在全球范围内率先建立起首个基于视频数据理解人类行为的视频大脑——爱奇艺大脑,希望机器能够理解视频的内容,帮助人们制作、生产、运营和消费视频。

二、脑研究计划的主要研究内容

人脑的结构和功能极其复杂,涉及到分子、细胞、系统、全脑和行为等不同层次,因此需要从多个层次进行研究和整合,从而揭示其奥秘。纵观世界范围内的脑科学研究计划,可以发现多个不同计划之间虽然存在竞争,但是研究内容上存在很强的互补性。主要的研究内容如下:

1、新的研究技术的开发——美国的脑计划主要关注该类研究。技术和方法的进步,不仅有助于研究新的科学问题,而且可以与先进制造业相结合创造极大的经济效益。

2、脑疾病的认识和治疗策略——日本和中国的脑计划主要关注该类问题。随着老龄化时代的到来,神经精神类疾病的社会负担在日益增大,因此如何预防、诊断和治疗该类疾病,已成为医药界和公共卫生领域重要的问题。

3、脑的精细结构研究——多个国家的脑计划均涉及该类问题。脑的结构是进行脑的工作机制和发病机制研究的基础。该类研究的进展对于新型成像和存储技术提出了新的要求。

4、脑的高级功能的认识——该类研究是中国脑计划的重点研究内容。该类研究偏重于从生物学的角度理解人的高级认知功能。

5、人工智能——该类研究是大型企业的研究重点,力图从计算机、大数据等非生物学角度,认识人工智能,从而间接推进对于人脑的高级功能的认知。

三、以睡眠研究为例,浅析神经科学发展对于其它领域的影响和渗透。

从历史来看,神经科学是多个学科交叉的产物,涉及到解剖学、生理学、心理学等多个学科。神经科学的发展,积累了众多新知识和理论,发展了众多新的技术方法,因此也促进了众多交叉学科的产生,如认知神经科学、社会神经科学、神经经济学、教育神经科学、情感神经科学等。从现状来看,人工智能、大数据科学、智能硬件等的发展,为神经科学的发展提供了新的契机。在可预见的未来,神经科学必将成为一个新的平台,整合多种学科和多种资源为文化、经济、社会等的发展提供新的理论和思路。

本文以睡眠研究为例,浅析神经科学发展对于其它领域的影响和渗透。

人每天的三分之一左右的时间都在睡眠中度过,因此,睡眠研究的重要性不言而喻。随着现代生活和工作方式的变迁,睡眠障碍人群在不断增大,因此其诊断、治疗已经成为世界性的公共问题。另外,从周公解梦到《梦的解析》,从庄周梦蝶到《盗梦空间》,人类对于梦的理解和探寻,从未停止,影响着众多文学艺术的创作。科学研究对于睡眠在学习记忆、情感、情绪等作用的研究,为智力开发、儿童教育、良好生活习惯的养成等社会问题准备着必要的理论基础。综上所述,睡眠研究不仅有助于人们对于睡眠机制的认识,而且对于社会生活的多方面均在产生影响。

目前,睡眠的研究需要进行脑电波的记录。大脑在活动时,脑神经细胞的电生理活动,可以被安置在大脑皮层或头皮表面的特定的电子设备检测出来。因此,如何高效而准确地进行脑电波的采集、识别是睡眠研究的关键,而其应用的范围也在逐步扩大。

信号采集装置的作用是按照特定的要求选择采集频率,再对信号进行过滤,提取出特定的脑电信号。目前信号采集的一大难点是采集准确度和采集方便性之间的矛盾:1、可进行嵌入式来提高准确度,但该方法需要进行开颅手术,不适合民用;2、可提升采集通道的数量来提高准确度,但是通道越多,越不便于民用。就目前的情况来看,民用设备(面向家用与娱乐)为了使用方便,通常使用较少通道、较低精度的采集方式,行业用途则使用多通道,高精度的方式。同时,考虑到生物工程材料的要求,采集装置的发展对材料学、先进制造业等领域提出了新的要求。

信号识别部分主要是通过算法将脑电波解读为多种参数,从而间接反应被试者的精神活动情况。目前,线下分析脑的活跃状态,如区分睡眠不同的时相(觉醒、浅睡眠或深睡眠等)的准确性较高。但是实时在线的分析准确度还较低,最近迅猛发展的机器学习技术,为此打开了新的途径。另外,从复杂的脑电波中分析出所对应的特定的“意念”的难度还较大,对于算法的要求很高,导致脑机接口等应用上的复杂性一直居高不下。

目前,对于脑电波的应用主要集中在两个方向上:一种是人机交互类的行为,也就是脑机接口,通过参数控制机器(或软件)进行交互;另一种则是认知科学(认知领域),主要用于探索人脑或心智的工作机制,研究人类感知和思维信息的处理过程。目前,应用产品集中在四个方向:传统医学(检测、护理设备等);玩具、消费电子;教育培训;健康、可穿戴设备。

脑-机接口是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道,人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备,而不需要语言或动作。一个基本的脑机接口系统如图所示脑-机接口系统的顺利实现涉及神经科学、信号处理、模式识别、先进制造等多个领域。目前主要用于辅助增强身体严重残疾的患者与外界交流或控制外部环境的能力,从而提高患者的生活质量。目前,多个公司参与了该系统的研究和开发。每个公司的研发能力与研发方向均不同,有些公司在对采集设备进行研发,有些公司进行模块的开发,其他公司可根据已有模块,进行二次开发,不是所有的公司都有自主知识产权的采集系统。脑机接口、神经义肢等研究领域的权威专家、加州大学伯克利分校电子工程和神经科学的Jose Carmena教授介绍,目前,脑机接口市场已经达到65亿美元,到2018年,这个市场可以达到107亿美元,市场规模非常庞大。


可穿戴脑电动态监测仪在医院内的应用已经较为广泛,但是家用还较少,这就对智能硬件和物联网的发展提出了新的要求。智能硬件通过软硬件结合的方式,将传统设备改造为拥有智能化的功能。智能化之后,硬件具备连接的能力,可以实现互联网服务的加载,形成“云+端”的典型架构,具备了大数据等附加价值。因此,无论是对于脑电的分析,还是对数据的存储,均离不开大数据,云端可以让数据进行更快的计算,并且可以和大数据进行比对。云技术不仅在数据处理中对医疗有帮助,在样本的处理中也有帮助。医院每年采集的样本数量有限,如果将脑电采集以智能硬件的形式推向给个人用户,无论是采集大量健康或异常人群的数据,还是一些人群长期的数据,都有非常大的参考价值。无论是平台,还是医学工作者,都希望通过大范围的研究寻找到治疗方案。随着可穿戴设备、云技术和大数据技术的发展推动移动医疗市场的发展。


这幅图描述了2020年脑控领域细分市场相对增长的定性分析和预期,分析区域主要集中在欧美发达国家和世界其他部分发达地区(图片来源BNCI HORIZON 2020 )。医疗健康&神经反馈和娱乐&游戏方向是快速增长的方向。如通过神经刺激,缓解和治疗偏头痛就是一个很好的解决方案。娱乐游戏对于实时反馈的要求较强,目前还没有达到一个良好的体验。如通过眨眼进行控制,不是每一次眨眼都能被识别,因此不会有一个良好的反馈。作者认为,可穿戴显示器是未来结合脑机接口进行发展的一个方向,二者都是在头部进行信息上的交换,随着技术的发展,未来会成为一个主流的趋势。

四、 “神经科学+”时代的到来

世界范围内,脑科学研究计划的兴起和发展必将深刻影响对于脑工作机制的认识,有助于开发新的脑疾病的诊断和治疗方法,同时新的技术和理论的发展也会促进人文社会学科领域多个学科的发展,并深刻改变人们的生活,为经济和社会发展增加新的引擎。

一个“神经科学+”的时代正扑面而来。






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