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面对千亿个神经元 科学家如何揭开人脑“谜团”

2021-06-07 05:02:36 点击:18 来自:半步沧桑

“认识大脑、模拟大脑、保护大脑”一直是全球脑科学科研人员不断努力的目标。

日前,在2021年的浦江创新论坛上,全球顶尖脑科学领域研究专家分享了脑科学在实际医疗健康应用中的可能及探索边界。

有什么样的大脑,更适合当领导?吸烟喝酒会让大脑发生怎样的改变?未来治疗抑郁症患者有哪些可行方案?针对脑科学有关的种种复杂问题,科学家们在提出的假设中反复推演,试图逐步揭开人脑中的“秘密”。

庞杂的“脑计划”

早在2015年,中国科学家就对脑科学与类脑研究在中国“一体两翼”的部署达成了初步的共识。其中,“一体”是以阐释人类认知的神经基础为主体和核心,“两翼”是指脑重大疾病的研究以及通过计算和系统模拟推进人工智能的研究。

在脑疾病的诊断治疗方面,是为了知道脑疾病如何早期诊断、早期干预,由此可以延伸出有关脑健康和脑医疗的产业。而对脑机智能技术的研究涉及大脑与机器之间的关系,即脑机接口,包含器件从大脑获取信息、用大脑信息操纵外部器件、外部器件再反馈信息给大脑,从而实现调控大脑的过程。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心副主任孙衍刚称,基于脑科学的重要性,各个国家纷纷推出了脑计划。美国2013年推出后其他国家也相继推出。美国、欧盟脑计划关注大脑结构,欧盟的脑计划还会基于这个结构去模拟大脑如何运作。

“10年后,人工智能最前沿的就是类脑人工智能,现在就要布局,希望在下一个潮流出现的时候能够站在前沿。”中国科学院院士、中科院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明说道。

据了解,人脑拥有近1000亿个神经元和100万亿个连接,是科学中最大的谜团之一,也是医学上最大的挑战之一。目前全脑神经联结图谱已成为脑科学的核心问题。

“国家非常重视全脑介观神经联接图谱的研究,也正在酝酿启动全脑介观神经联接图谱的大科学计划,希望基于前期的斑马鱼和小鼠的图谱绘制,将在2035年完成猕猴全脑介观神经联接图谱的绘制。”孙衍刚分享道。

多个研究热点涌现

第一财经记者在浦江创新论坛现场了解到,蒲慕明团队已设计有15项脑功能定量检测的工具集,有望在2025年建立指标,并在2050年推广至全国。

脑机智能技术作为脑计划的另一个“翼”,可以通过调控大脑的技术,如磁、光、超声来改变大脑的状态。“国内脑机接口主要有两个方向,一个是脑控,例如瘫痪患者可以操控外面的假肢;另一个是控脑,外界器件产生电信息、磁信息,来控制大脑的活动。”蒲慕明介绍道。

蒲慕明希望,通过研究大脑,将计算神经科学的理论和算法引申到人工智能的机器学习里,做出计算机的架构,最终实现智能体能够与人讲话、照顾家庭。

面对脑机接口领域“如何解码大脑信息”等障碍,国内技术与马斯克的技术有多大差距?

蒲慕明认为,在微小化和无线传输方面,马斯克的集成化做得更好,但国内技术与其差距并不是太大,且国内已经能够通过柔性电极刺激神经元,主要方向是闭环的脑机接口。蒲慕明相信,5年之内,国内技术会与马斯克的研究并驾齐驱。

除了脑机接口这一研究热点,全球科学家对何种因素会导致人的某种疾病或哪一类社会行为的研究侧重点也各有不同。

德国海德堡大学教授Valery Grinevich研究应激、压力,或人的某类行为是如何在分子层面发生作用的,例如催产素对于人脑部的功能和行为的调节研究。

Valery Grinevich教授分析称,催产素神经元会调节人的社交行为,它可以让人体更好地完成社交互动。借助催产素通路,可以更好地让人具有更多的社交动机。所谓的社交愉悦感很多就是由催产素造成的。

通过各种研究,甚至能够理解个体化差异背后其实是有生物学基础的。北京师范大学教授马燚娜研究发现,利己性和利他性是有差异的,相对应的是两种类型的人,一种叫亲社会型,他们会把总获得量做到最大。第二个是利己者,即自私的个体,目标是把他们自己的获益放到最大。

马燚娜研究发现,催产素主要是对自私个体有效,对亲社会个体的作用微乎其微。也因此,她认为对中心节点的人给予催产素的注射,能够增加整个群体的合作性。

多名科学家表示,必须承认,人和动物之间是有类似性的,看上去好像是靠脑子来决定自己的行为,但是无论哪类研究,提出的概念都是基于社交的相互作用或社交认知,并不是单纯由一个人的大脑决定的。因此,是由神经信号、行为信号还有其他信号,一同来推动了人类做出某一种行为。

脑疾病治疗的未来

蒲慕明指出,世界卫生组织统计现在世界社会负担最严重的就是脑疾病,包括抑郁症、精神分裂症、老年痴呆等。脑疾病社会负担超过癌症和心血管病,社会面临很大的问题,然而,更严重的问题是没有治疗脑疾病很有效的药物。

未来,重大脑疾病包含幼年期自闭症障碍、成年期抑郁症、老年期退行性疾病,要完全解决治病机理可能还要几十年,或者更久。“在没能把治病机理搞清楚之前就应该对这些疾病有预警,并展开早期诊断。”蒲慕明补充道。

困难之大,在于药物研发,过去脑部疾病的药物研发在小鼠模型上有效,但在人身上无效,最终97%以上的药都宣告失败。蒲慕明认为,脑疾病的治疗手段研发一定要有和人比较相近的动物,不是小鼠而是猴子,于是才做出了克隆猴。

在临床治疗研究中,大数据技术的应用也同样能将脑疾病相关的诊疗研究提速。目前,利用脑科学原理做出的算法,能通过步态识别出不同的人,准确率超过95%。

复旦大学大数据学院院长、类脑智能科学与技术研究院院长冯建峰在浦江创新论坛现场展示了两个走路的小人动图,其中一个是抑郁症患者。第一财经记者观察发现,相比正常的走路小人,代表抑郁症患者的走路动作幅度相对较小。

利用这类复杂的算法,冯建峰表示,还可以进行抑郁症、帕金森、阿尔茨海默症等疾病的诊断。例如,通过脑影像来帮助脑卒中患者制定治疗方案,并进行卒中后复发概率的预测。目前该软件在100多家医院使用,2021年底将推广至200家医院。

为什么人会得抑郁症?科学研究认为,脑子中负责奖励的那个区域不敏感,管惩罚的区域过于敏感。据了解,靶向性的物理治疗可以抑制大脑某些地方的活动,冯建峰称,目前有50%的疗效,对于难治性抑郁症有30%的疗效。

“可以通过奖励来激励人的行为、影响人的情绪,也可以引导人的学习。同时,如果奖惩机制出现问题也可能会导致重要的疾病,比如说抑郁症的出现。它会告诉大脑你可以去改变你的行为来适应这种环境,这个就让我们人的行为越来越去适应环境提出的要求。”北京脑科学与类脑研究中心联合主任罗敏敏分享道。

罗敏敏告诉第一财经记者,所有的行为会依赖于“记忆”和“未来的期待”。虽然很多决策不理性,但是这种不理性对进化是有帮助的,才能在进化中保留下来。人的行为是非常动态的,调控大脑可以考虑,但调控的方式和准确度需要非常小心地研究。

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