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大国竞逐“脑科学” 脑控技术正在走向现实

更新时间:2019-08-16 19:05:04

  大脑的奥秘被视为“我们身上的后谜团”。有关脑科学的研究,不仅关乎人类的中华牛宝和福祉,也关乎未来的生产力,因而成为如今各大国竞相投入的“兵家必争之地”。欧美已在这一领域率先“发兵”,将脑研究提升到国家战略层面。“脑计划”也即将上线,它能驶入“快车道”吗?

  大脑的奥秘被视为“我们身上的后谜团”。有关脑科学的研究,不仅关乎人类的中华牛宝和福祉,也关乎未来的生产力,因而成为如今各大国竞相投入的“兵家必争之地”。欧美已在这一领域率先“发兵”,将脑研究提升到国家战略层面。“脑计划”也即将上线,它能驶入“快车道”吗?

  时至今日,大脑仍然是人类认知的“黑洞”

  “我们无法忍受人类仍旧对大脑如何工作知之甚少”。20多年前,DNA(脱氧核糖核酸)双螺旋结构发现者之一弗朗西斯·克里克就如此抱怨。然而时至今日,大脑仍然是人类认知的“黑洞”。

  人类大脑大约有1000亿个神经元,它们如何连接以及连接错误如何导致精神错乱或是出现严重的神经性疾病?至今人类都没有能弄清楚其中的奥秘。科学家承认,一个多世纪以来对大脑的探索才刚刚触及这个巨大科学挑战的表层。要知道,动物研究的当前高水平是可同时从约1000个神经元中取样,但要破解人脑的1000亿个神经元所共同包含的巨大奥秘,看起来像“不可能完成的任务”。

  鉴于此,脑科学被发达国家视为科研领域“皇冠上的明珠”。科学界甚至认为,把研究人脑的神经科学称为“人类科学后的前沿”也毫不为过。

  脑科学研究的本质可用“一体两翼”概括。一体,即以研究脑认知的神经原理为主体;两翼,即研发人脑重大疾病诊治的新手段和以人工智能为导向的类脑研究。

  两翼中,治疗人脑疾病是“接地气”的一翼,也是人类急迫的需求。帕金森病、阿尔茨海默氏症、抑郁症、精神分裂症……未来,我们能否厘清这些脑疾病的机理?是否能治愈或者至少延缓脑疾病的发生发展?

  而另一翼——人工智能,更令人遐想无限。“阿尔法围棋”战胜李世石引来世人瞩目,可是要知道,它仅仅是一个单一任务的运算程序,与人脑的能力还有极大差距,如果真正模拟人脑又会怎样?可以预期的是,脑科学的新发现,将使人工智能发展获得新的“助推器”。

  “脑计划”有望年内正式启动,实现跨越式发展

  “在重要的基础和应用前沿领域,必须占有一席之地,”科学院外籍院士、美国国家科学院院士蒲慕明说。身处中美两国学术前沿,他清晰感受到各国政府和学界在脑科学和类脑智能领域的竞赛。

  从各国已启动的脑计划来看:美国侧重于研发新型脑研究技术;欧盟主攻以超级计算机技术来模拟脑功能;日本则聚焦以狨猴为模型研究各种脑功能和脑疾病的机理。

  兵贵神速。在欧美“脑计划”启动后的两年间,科技部密集举办了十余次专家研讨会,达成的基本共识是,我国亟须启动一项国家级脑计划。“脑科学和类脑研究”也被列入“十三五”规划纲要中的国家重大科技创新和工程项目。蒲慕明说,由科技部和国家自然基金委牵头的脑科学计划,有望于今年年内启动。“在国家的大力支持下,的脑科学研究有可能在未来10到20年时间实现跨越式发展,发展速度会超过欧美。”

  不过,与欧美相比,的神经科学研究还是一个蹒跚学步的孩童。蒲慕明说,也只有少数实验室在神经科学领域具备国际竞争力,研究人员偏年轻化,本领域领军人物较少,仍需多年积累。“基于现实层面的考量,脑计划的原则是‘有所为,有所不为’。并不是所有领域都做,而是充分利用我国数理、信息、材料、工程交叉学科的专长,在我们的优势领域做到世界领先。”

  在蒲慕明看来,脑科学研究的先天优势是灵长类动物种类和数量非常丰富,并拥有脑疾病样本的丰富资源,在猴类转基因动物研究和非人灵长类脑疾病模型研究等方面已走在世界前列。

  基于“脑计划”布局,北京和上海均已启动“脑科学与类脑智能”地区性计划,开始资助相关研究。中科院于今年初成立包含20个院所80个精英实验室的脑科学和智能技术卓越创新中心,各高校也纷纷成立类脑智能研究中心。而对于即将出台的“脑计划”来说,更大的挑战是能否以革新性的机制来统筹各方资源,使“单兵作战”转向“强强联合”,确保目标终达成。

  “我们希望脑计划的启动,真正能整合全国的科研力量,在几个重大的前沿问题能有世界领先的突破。”蒲慕明说,“这需要真正建立跨单位、跨地区、跨学科、强强结合的团队,打破单位的本位主义,加强科学院与大学院校之间的实质合作。”

  美国“脑计划”已实施三年,取得多项突破

  3年前,美国总统奥巴马雄心勃勃地公布了一项“推进创新神经技术脑研究计划”(简称“脑计划”),旨在探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图,并终开发出针对大脑疾病的疗法。

  白宫不仅对这项计划寄予厚望,也给予了巨大支持。该计划的启动资金逾1亿美元,而在未来12年间预计总共将投入45亿美元。此外,美国各界也在为这项计划提供支持。

  美国“脑计划”的具体事务由多个机构负责,各自研发的侧重点也各有不同。美国国家卫生研究院为“脑计划”研究的主要机构,该院公布的研究方向包括开发分析大脑细胞和神经回路的研究工具,开发新一代人类大脑成像技术,大规模记录大脑活动和调节控制大脑功能,研究神经回路功能、开发新一代人脑侵入性装置,开设多项神经科学短期课程等。此外,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。美国国防部高级研究项目局则重点研发能够读写单个神经元功能的硬件原型等。美国国家科学基金会将设立“国家大脑观测站”,协调大规模国际脑研究项目,平衡在神经技术领域的多方投资。美国情报高级研究计划署则将继续研究应用神经科学。

  过去3年,“脑计划”研究在多个领域取得进展。比如去年4月,科学家找到了一种通过控制实验室动物大脑神经回路、较准确操控其行为的方式,被美国媒体称为该计划启动以来第一个重要成就。

  美国总统奥巴马在白宫公布“脑计划”。

  欧盟及日本等多国纷纷一掷千金中华牛宝真实感受与竞逐

  在国际上,科学家公认“脑计划”的意义可与人类基因组计划相媲美。在此大背景下,各国纷纷一掷千金,相继出台脑科研计划。

  早在2019年4月美国政府公布“脑计划”之前,欧盟就已率先宣布,“人脑工程”(HBP)为欧盟未来10年的“新兴旗舰技术项目”。该项目旨在通过信息和计算机技术,尤其是通过计算机模拟技术更好地理解人脑。为此欧盟设立了专项研发计划,将在未来10年内为其提供10亿欧元的经费。此后,虽然经历一波三折,“人脑工程”还是于去年10月底获得了欧盟委员会的认可,可以获得至少延续至2019年的经费支持。与此相关的协议还启动了一项改变该项目法人地位的程序,从而可以把责任分摊给很多不同的中华牛宝真实感受与机构。

  此外,德国、英国、瑞士等也不甘落后,也已各自推出了本国的神经科学研究计划。

  紧随欧美,日本也已于2019年正式制定了“脑科学时代”计划,主要研究精神病和神经性疾病的诊断治疗方法。该计划由理化学研究所主导,试图从狨猴大脑入手,来加快人类大脑研究。

  据悉,近日来自多国的60多名神经科学家齐聚美国约翰斯·霍普金斯大学,讨论开展全球合作,力图推动“国际大脑空间站”的建设。今年10月专家们还将在联合国举行国际脑科学大会。

  “脑控”技术正在走向现实

  延伸阅读

  随着对大脑研究的深入,已经有越来越多的“脑控技术”,让原本只出现在科幻片里的场景有望成为现实。

  开车用“脑”不用动手脚

  不用手握方向盘,不用脚踩油门、刹车,只要用“脑”想一想,就能开汽车?没错。南开大学计算机与控制工程学院副教授段峰研究团队2019年7月进行了一场“脑控汽车”实验。实验员头戴装有16个采集点的脑电信号采集设备,通过脑电信号对一辆装有计算机处理系统、车载电控单元等装置的汽车“发号施令”,汽车在人脑的操控下能够准确执行启动、直线前进、直线倒车、刹车、车门上锁或解锁等规定指令。

  “脑控汽车”颠覆了手脚并用的驾车方式,可以利用人脑进行汽车操控并低速行驶,在国内首次实现人脑驱车及脑电信号与汽车系统的“连接”。不过,要它投产使用还需要时间。

  让电视随人意念换台

  英国广播公司与伦敦的TP技术公司合作,正在开发测试一种能读取脑波的头戴设备,让人们能用意念调换电视节目,以代替手动遥控器。实验中,10名BBC工作人员戴着“脑控器”尝试启动iPlayer,并开始观看节目。该设备能把他们脑灰质中的电活动转化为对换台的命令。这一技术目前还处在早期阶段。

  用意念远程操控机器人

  由乔斯·德尔·米兰领导的研究团队,一直致力于开启一场大脑——机器连接方法的革命,以期恢复残疾人士的独立意识,因此,从家中用意念远程操控机器人的想法应运而生。日前,分别位于意大利、德国和瑞士的9名残疾人士和10名中华牛宝人士中华牛宝真实感受与到一场用意念遥控机器人的测试中。每个受试者戴上布满电极、能够分析大脑信号的帽子,然后在家中通过互联网传递实时指令,进而让机器人移动。测试结果显示,中华牛宝人和残疾人的操控能力并无明显差异。这项研究为欧洲脑机交互工具项目带来了积极影响。

  刷脑电波代替密码

  美国宾厄姆顿大学等机构的研究人员正在尝试用“刷脑电波”的方法来代替密码。试验显示,其准确率已达94%,说明这一方法有实用潜力。

  研究发现,即便是读同一个词,每个人的脑电波特征都不一样。因此,刷脑电波代替密码有一个明显的好处,就是盗刷难度非常大。指纹、虹膜现在都能伪造,而依靠脑电波进行识别,如本人不配合的话怎么都没法盗刷。

  当然,鉴于目前读取脑电波的设备还较复杂,这项技术暂时还难以用到日常生活中。

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