生物腦與人工智能融合

馮凡凡 王晶

人工智能如同一顆璀璨的新星，正以令人矚目的速度沖向嶄新的前沿。而在這遼闊無邊的數(shù)字宇宙中，一個激動人心的領(lǐng)域——生物腦與人工智能的深度融合正在蓬勃發(fā)展。

從馬斯克倡導(dǎo)的腦機接口技術(shù)開始，人工智能已不再僅僅停留在計算機內(nèi)部的虛擬世界，它正在與人類大腦展開互動，展現(xiàn)出無限的可能性。例如，通過腦機接口，人們可以通過思維控制外部設(shè)備，幫助殘疾人恢復(fù)日常生活功能。而電影《流浪地球2》中數(shù)字生命的概念更是引人注目：人類在自身之外竟然還可以擁有一個自己的數(shù)字生命，在生物腦之外竟然可以擁有一個數(shù)字孿生大腦。在這個宏大的科幻世界里，人工智能不再是簡單的機器，而是擁有情感、思考能力和自我意識的數(shù)字生命體。這種想象力激發(fā)了我們對于人工智能的無限遐想，讓我們思考到底什么是生命，以及科技能否創(chuàng)造出具有生命力的存在。

腦機接口技術(shù)

腦機接口最早是由美國科學家維達爾（J. Vidal）于1973年提出的概念，其基本原理是通過放置在頭部的電極來捕捉和解析大腦產(chǎn)生的腦電信號。隨后，這些信號經(jīng)過數(shù)字化和解碼處理，轉(zhuǎn)換成計算機或其他設(shè)備可以理解的命令信號，從而實現(xiàn)與計算機及其他設(shè)備的交互[1]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，腦機接口技術(shù)不僅僅是大腦發(fā)出腦電信號后，與計算機及其他設(shè)備互動（腦控），還可以是設(shè)備產(chǎn)生的電信號對大腦產(chǎn)生作用，繼而達到某種效應(yīng)（控腦）。

在“腦控”方面，腦機接口的應(yīng)用非常廣泛，從簡單的游戲控制，到復(fù)雜的假肢操作，該技術(shù)甚至可以幫助失去語言功能的患者通過思考來“說話”。例如，殘疾人可以通過腦機接口來控制輪椅或者假肢，繼而重新獲得移動或者抓取物體的能力，這對于提高患者的生活質(zhì)量來說是一項重大的突破。

在“控腦”方面，腦機接口技術(shù)通過設(shè)備產(chǎn)生的電信號刺激大腦的特定區(qū)域，可以改變大腦的神經(jīng)活動，從而治療各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病，例如帕金森病、癲癇、抑郁癥等。其中，深部腦刺激（deep brain stimulation， DBS）是一種目前已經(jīng)應(yīng)用于臨床的帕金森病治療方法。其利用立體定向的技術(shù)準確定位，在患者腦內(nèi)特定區(qū)域，如丘腦下核、蒼白球內(nèi)核、丘腦等植入電極，連續(xù)不斷地傳送刺激脈沖到深部腦組織的特定區(qū)域以達到治療的目的[2]。

根據(jù)連接方式的不同，腦機接口可以分為植入式和非植入式，其主要區(qū)別在于接口設(shè)備是否需要直接植入用戶的大腦內(nèi)部。

植入式腦機接口通過手術(shù)將電極或傳感器等設(shè)備直接植入大腦中，從而獲取大腦的電信號或神經(jīng)元活動等信息，因此能夠接收到更強、更清晰的神經(jīng)信號，實現(xiàn)更精確的外部設(shè)備控制。這種連接方式可以提供更高質(zhì)量和更豐富的信息，但需要對人體進行手術(shù)，存在一定的風險和倫理問題[3]。

非植入式腦機接口則是通過外部設(shè)備，如腦電波儀、磁共振成像等，來獲取大腦的電信號或神經(jīng)活動等信息。這種連接方式不需要進行手術(shù)，對人體的傷害較小，但獲取的信息數(shù)量較少，質(zhì)量也相對較低。

植入式腦機接口在醫(yī)療保健、康復(fù)治療等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，而非植入式腦機接口則廣泛應(yīng)用于游戲、娛樂、教育等領(lǐng)域。因此，根據(jù)不同的應(yīng)用場景和需求，可以選擇不同的腦機接口類型。而腦機接口技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，也必將會不斷加速生物腦與計算機人工智能之間的融合，實現(xiàn)大腦的數(shù)字化、生命的數(shù)字化[4]。

數(shù)字孿生大腦

數(shù)字孿生大腦是指通過大量的神經(jīng)影像學和神經(jīng)生物學數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能技術(shù)，使用數(shù)字技術(shù)來模擬或模仿生物腦功能，形成的類腦人工智能系統(tǒng)。

創(chuàng)建數(shù)字孿生大腦的第一步是收集大量的神經(jīng)影像學和神經(jīng)生物學數(shù)據(jù)，包括腦部結(jié)構(gòu)的磁共振圖像、腦電波活動的腦電圖記錄、神經(jīng)元之間的連接關(guān)系（連接組）等。這些數(shù)據(jù)可以幫助研究者了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能，為下一步的模型構(gòu)建提供基礎(chǔ)。然后，研究者使用人工智能技術(shù)來分析這些數(shù)據(jù)，例如使用深度學習和機器學習算法來識別大腦中的模式和關(guān)系，確定哪些腦區(qū)負責處理視覺信息，哪些腦區(qū)負責記憶等。最后，使用數(shù)學和計算模型來模擬大腦的工作，包括模擬神經(jīng)元的電活動、神經(jīng)元之間的信號傳遞，以及整個腦網(wǎng)絡(luò)的工作等，最終在計算機上創(chuàng)建一個虛擬的“大腦”。

數(shù)字孿生大腦就像人類大腦的備份或克隆體，科學家可以用它來整合各類生物腦的研究結(jié)果，進而有望揭示腦機理、啟發(fā)類腦智能、治療所有和腦有關(guān)的疾病，并通過深入解析人腦工作的模式，研究人工智能算法、數(shù)據(jù)和模型，為人工智能發(fā)展的革命性突破提供基礎(chǔ)。

在數(shù)字孿生大腦中，每個“節(jié)點”代表一個腦細胞，而“連接”則表示腦細胞之間的突觸連接活動。研究人員可以通過調(diào)節(jié)節(jié)點和連接的權(quán)重，模擬不同狀態(tài)下的人腦活動。同時，數(shù)字孿生大腦還可以和腦機接口設(shè)備連接，實現(xiàn)大腦狀態(tài)的實時監(jiān)測和數(shù)字孿生大腦的模型優(yōu)化。通過不斷迭代，數(shù)字孿生大腦的結(jié)構(gòu)和功能可以逐步逼近人腦，為揭示人腦奧秘、開發(fā)類腦計算模型提供強有力的技術(shù)支撐。

復(fù)旦大學類腦智能科學與技術(shù)研究院馮建峰團隊用時三年多搭建了數(shù)字孿生腦平臺，在上萬個GPU的算力加持之下，實現(xiàn)了人腦860億神經(jīng)元的模擬再現(xiàn)。該項成果以馮建峰院長的大腦為模擬體，因此命名為“馮腦”。根據(jù)對大腦不同部位神經(jīng)元功能的研究，目前其模擬出的數(shù)字孿生大腦與原腦相似度高達90%。通過對比生物腦和數(shù)字腦之間決策模式的差異，還可以對類腦人工智能發(fā)展提供更多有力的支持。此外，借助在數(shù)字孿生腦上進行實驗，研究者可以大大突破人體生物腦臨床實驗的限制，助力科技的跨越式發(fā)展[5]。

數(shù)字生命的延續(xù)與哲學思考

數(shù)字孿生大腦的出現(xiàn)，說明擁有思維意識的人類最復(fù)雜的器官已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化，也表明整個生命數(shù)字化也許離人類并不遙遠。在電影《流浪地球2》中，圖恒宇女兒的意識得以以類腦芯片的形式被儲存，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷進化和成長，這場景生動地描繪出了數(shù)字生命的“生機盎然”。

數(shù)字生命指將生物個體的生理活動、認知過程以數(shù)字化形式記錄和模擬，實現(xiàn)“個體數(shù)字孿生”。其核心是收集個體多層次數(shù)字化生物數(shù)據(jù)，包括基因組數(shù)據(jù)，即通過基因測序技術(shù)獲得個體基因組DNA序列信息；生理數(shù)據(jù)，即使用可穿戴設(shè)備獲取的個體生理參數(shù)，如心跳、血壓、腦電圖等多項生理信號數(shù)據(jù)；行為數(shù)據(jù)，即記錄個體的日常行為和互動信息；認知數(shù)據(jù)，即個體的學習、記憶、思考等認知過程數(shù)據(jù)，以及語言、文化、價值觀等認知特征數(shù)據(jù)；環(huán)境數(shù)據(jù)，即個體的生活環(huán)境、工作場所、社交網(wǎng)絡(luò)等環(huán)境因素數(shù)據(jù)。

通過深度學習和多模態(tài)算法，將這些海量異構(gòu)數(shù)據(jù)有機整合，建立數(shù)字化的個體，實現(xiàn)對個體生理狀態(tài)、認知能力，乃至情感的預(yù)測和模擬。該虛擬個體在數(shù)字空間中擁有獨立意識和行為，可以與人交流和互動。

數(shù)字生命可打通物理空間和數(shù)字空間，實現(xiàn)生命形態(tài)的延續(xù)，我們或?qū)⑦~向一種更長久和數(shù)字化的生命方式。這將是一場技術(shù)和哲學的思辨，如同笛卡爾的“我思故我在”，數(shù)字生命將進一步引發(fā)人們對生命和存在的深刻思考。

賦能醫(yī)療突破：腦機接口結(jié)合數(shù)字孿生大腦

隨著腦機接口及數(shù)字孿生大腦技術(shù)的不斷突破及發(fā)展，未來或?qū)槿祟?，特別是與腦相關(guān)的重大疾病研究帶來福音。

目前，隨著人口老齡化的加劇，老年性癡呆的發(fā)病率逐年上升，給社會和家庭帶來了巨大的負擔。研究發(fā)現(xiàn)，通過刺激生物腦中與認知功能和情緒調(diào)節(jié)密切相關(guān)的特定區(qū)域，可以改善老年性癡呆的癥狀，如改善記憶、認知和情緒。因此，在模擬出老年性癡呆患者的數(shù)字腦之后，可對其不同區(qū)域進行不同強度和不同頻率的模擬刺激，獲得數(shù)字腦的模擬反饋，指導(dǎo)生物腦的病理治療。例如，在獲得準確的數(shù)字腦反饋信息之后，可通過腦機接口技術(shù)，如穿戴式磁療儀，對腦的特定區(qū)域進行理療與刺激，達到干預(yù)治療的效果。

數(shù)字孿生大腦不僅可以準確地反映患者的大腦活動情況，還可以預(yù)測疾病的進展趨勢。通過分析數(shù)字孿生大腦的數(shù)據(jù)，醫(yī)生可以及時發(fā)現(xiàn)疾病的惡化情況，并采取相應(yīng)的治療措施。此外，在生物腦中的研究發(fā)現(xiàn)，一些老年性癡呆患者的大腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)異常，這可能是導(dǎo)致其認知功能下降的原因之一。通過數(shù)字大腦模型來模擬人類生物大腦的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和信號傳遞過程，可以獲得其病理表現(xiàn)，明確老年性癡呆相關(guān)的神經(jīng)生物學機制，有助于防治老年性癡呆。

腦機接口技術(shù)和數(shù)字孿生大腦相輔相成，將在未來的疾病治療中發(fā)揮重要的作用，進一步推動神經(jīng)科學和人工智能技術(shù)的發(fā)展，為未來的醫(yī)療健康領(lǐng)域帶來巨大的機遇和挑戰(zhàn)[6]。

展望數(shù)字生命的未來

數(shù)字生命的嶄新時代已經(jīng)到來，通過將人工智能技術(shù)與生物數(shù)據(jù)結(jié)合，數(shù)字生命將為人類醫(yī)療等各個領(lǐng)域帶來更多的可能性。

未來，在醫(yī)療領(lǐng)域，數(shù)字生命或?qū)氐赘淖內(nèi)祟悓】岛图膊〉睦斫?。通過實時監(jiān)測生物數(shù)據(jù)，數(shù)字生命系統(tǒng)可以迅速識別健康問題，甚至在癥狀出現(xiàn)之前做出預(yù)測。不僅如此，數(shù)字生命還將改變?nèi)祟悓膊〉闹委煼绞?。基于個體的生物數(shù)據(jù)和遺傳信息，醫(yī)生將能夠為每位患者量身定制治療方案，最大限度地減少副作用并提高療效。

同時，數(shù)字生命還將在科學研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。研究人員可以利用大規(guī)模的生物數(shù)據(jù)來研究疾病發(fā)生的根本原因，并尋找新的治療方法。這將加速新藥物的開發(fā)和對疾病的理解，為醫(yī)學領(lǐng)域帶來巨大的進步。

當然，數(shù)字生命的發(fā)展也伴隨著一些挑戰(zhàn)。隱私和數(shù)據(jù)安全是其中一個重要的問題，因此在處理個人生物數(shù)據(jù)時，必須非常謹慎。此外，數(shù)字生命技術(shù)的發(fā)展還需要大量的投資和研究，以確保其有效性和可靠性。盡管挑戰(zhàn)重重，但我們相信，通過科技的力量，數(shù)字生命或?qū)槿祟惤】岛透ｌ碡暙I更多的希望和機遇。

[1]李靜雯， 王秀梅. 腦機接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用. 電信網(wǎng)技術(shù)， 2021， 47（2）： 87-91.

[2]Orlandi S， House S C， Karlsson P， et al. Brain-computer interfaces for children with complex communication needs and limited mobility： A systematic review. Frontiers In Human Neuroscience. 2021，15： 643294.

[3]Zachary A.Brain-computer-interfaces in their ethical， social and cultural contexts.Computing Reviews.2015， 8： 479-480

[4]Wang F， Li G， Chen J， et al. Novel semi-dry electrodes for braincomputer interface applications. Journal of Neural Engineering. 2016， 13（4）： 046021.

[5]謝小華， 馮建峰. 上海市腦與類腦智能基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究的現(xiàn)狀及展望. 心理學通訊， 2019， 2（2）： 4.

[6]Simeral J D， Hosman T， Saab J，et al. Home use of a percutaneous wireless intracortical brain-computer interface by individuals with tetraplegia. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2021， PP（99）： 1.

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