從鼠到豬再到人，腦機接口正在打開人類腦洞

陳冰

電影《黑客帝國》中，主人公尼奧通過腦機接口與矩陣系統(tǒng)相連，在虛擬世界自由穿梭。2020年9月，埃隆·馬斯克將這一科幻想象搬到了現(xiàn)實之中——他創(chuàng)辦的腦機接口企業(yè)Neuralink（神經鏈接）公司，將一枚看起來像硬幣的微型腦機接口設備，植入小豬的大腦內部，并根據(jù)采集到的信號，成功預測了小豬的行進路線。

一只可愛的小老鼠，顱內植入了一片神經元幾乎感受不到的超薄、超柔、高通量神經信號采集芯片。當小鼠運動、進食時，與神經信號處理接口電路直接相連的電腦將實時反映其腦電信號的變化情況。這一被稱為中國的Neuralink，由中科院上海微系統(tǒng)所陶虎研究員團隊和華山醫(yī)院神經外科團隊共同承擔。

這款腦機接口的電極創(chuàng)新性地使用了絲蛋白這一中國古老材料，使得它在植入創(chuàng)傷、長期在體安全性等關鍵技術上已經達到甚至部分超越了Neuralink——不僅植入時創(chuàng)傷小，而且植入后對人體更安全。鑒于安全性已經得到驗證，今年這項技術有望展開人體臨床試驗。

2020年9月，由張旭牽頭的中國人腦圖譜研究科創(chuàng)平臺正式成立。

從小鼠到豬再到人類，腦機接口正在打開人類的腦洞。科學家們致力于探究近千億的神經元到底是如何開展有條不紊的工作，讓人類能夠感知、思考、言語……更進一步，腦機接口是否可以應用于臨床疾病的治療？是否能夠實現(xiàn)人與外界的“心靈感應”？能否將記憶通過芯片上傳到“云端”，從而實現(xiàn)“永生”？所有這一切，似乎讓人朝著“智神”又邁出了一大步……

張旭，中國科學院院士，上海腦科學和類腦研究領域的領軍人物，一直致力于神經科學、腦疾病以及類腦智能領域的研究。2021年4月，張旭院士接受《新民周刊》獨家訪談，我們的話題也是從腦機接口這一最前沿的科學技術開始的。

構建“上海智腦”

1980年考入中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學，1994年獲得瑞典卡羅琳斯卡醫(yī)學院博士學位后，張旭回國從事神經領域的研究工作。2014年，中科院上海分院牽頭發(fā)起了上海腦-智工程，張旭成為項目負責人。

張旭院士。

當前，對大腦的研究已經成為現(xiàn)代科學最重要的課題之一，也是人類理解自然界現(xiàn)象和人類本身的終極疆域。這個1.36千克重的器官由近千億的神經元組成，但其功能機理至今還是個謎。與此同時，腦疾病如阿爾茨海默癥、抑郁癥等越來越成為人類健康重大威脅。據(jù)世界衛(wèi)生組織數(shù)據(jù)，全球腦疾病所帶來的社會經濟負擔占所有疾病的19%，已經超過心血管病的11%和癌癥7%，腦科學的發(fā)展對腦疾病的診斷治療將有關鍵性的貢獻。世界各國紛紛積極探索大腦的奧秘，中國也展開了相關的腦科學研究計劃。

在張旭看來，腦科學既是科學上的皇冠，又對社會發(fā)展起到重要的推動作用，“把腦科學的研究結果和人工智能相結合，上海做得最早，它體現(xiàn)了理論研究到應用領域的實現(xiàn)。從本質上講，腦科學有很多基礎研究內容，包括神經網絡跟行為的關系，與心理的關系，還包括受腦啟發(fā)的人工智能，這在科學上是非常有趣的一件事”。

據(jù)世界衛(wèi)生組織數(shù)據(jù)，全球腦疾病所帶來的社會經濟負擔占所有疾病的19%，腦科學的發(fā)展對腦疾病的診斷治療將有關鍵性的貢獻。

張旭說：“研究大腦與人工智能的結合點是我們的出發(fā)點，也是關鍵點，聽起來似乎有點空，但現(xiàn)在看來是有結果的，整個研究在向應用的方向上發(fā)展。實際上現(xiàn)在腦科學已經能夠滲透到其他行業(yè)，進行更廣闊、更有深度、更有前景的交叉融合，這在以前是沒有的。”

2017年9月，張江實驗室揭牌，重點攻關生命科學和信息技術兩大領域，而類腦智能研究是兩者間的橋梁。實驗室內部建立了共享機制，各研究機構的科研人員能夠共享實驗設備，尤其是大科學裝置。讓張旭非常興奮的就是腦與智能科技研究院匯集了越來越多科學家和企業(yè)家的加入——生命科學、材料科學、醫(yī)學工程、微電子，寒武紀、科大訊飛、聯(lián)影、華山醫(yī)院……這些基礎研究的科學家和計算機信息技術專家聯(lián)手開啟類腦智能研究前沿和高科技產業(yè)的大門。

2020年9月，由張旭牽頭的中國人腦圖譜研究科創(chuàng)平臺正式成立。這個項目將建設一個世界級、標準化的人腦圖譜數(shù)據(jù)服務平臺，形成一套應用于腦科學研究和醫(yī)療服務的標準化腦圖譜分析流程，構建國內首個腦圖譜成像和信息融合技術規(guī)范及數(shù)據(jù)格式標準化體系。

在張旭看來，人工智能中的神經網絡理論其實和神經科學的一些工作原理和邏輯類似。從某種程度上講，腦科學是人工智能的鼻祖。如果我們能夠對腦連接有更多的認識和了解，必將對未來的醫(yī)療領域產生重大影響。而上海正在積極推動腦機接口從基礎研究走向臨床應用。

2020年10月，陳天橋雒芊芊研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute，TCCI）的第一個腦科學前沿實驗室，在大型腦醫(yī)學中心華山醫(yī)院虹橋院區(qū)落成投入使用。目前已經實現(xiàn)了在老鼠的顱內植入超薄、超柔、高通量神經信號采集芯片，當小鼠運動、進食時，與神經信號處理接口電路直接相連的電腦將實時反映其腦電信號的變化情況。這項研究有望用于對腦癱患者進行治療。

2020年12月，瑞金醫(yī)院腦機接口及神經調控中心正式宣布成立，他們通過在人腦中植入一個所謂的“腦起搏器”（腦深部電刺激，DBS）設備，DBS電極植入人腦后，通過電極的觸點向腦內靶點發(fā)送全向電脈沖進行刺激，從而達到改善帕金森病患者運動癥狀的效果。基于這項技術已經在部分神經疾病領域獲得了成熟的應用，瑞金醫(yī)院將“難治性抑郁癥”作為了臨床研究方向。

目前，張旭正全力以赴與各界一起推進上海腦-智工程。張旭表示，上海腦-智工程包括了動物和人大腦的研究，涉及智能傳感器設計、集成電路設計、智能芯片設計等等技術，還包括聯(lián)影的腦影像技術（高性能科研級磁共振等）、人腦解析的技術。

繪制人腦圖譜如同描繪一幅探索大腦的“地圖”，是開展腦科學研究的基礎。它可以幫助科學家更好地認識大腦的結構、功能區(qū)分區(qū)、分區(qū)鏈接、工作機制等，從而進一步了解腦發(fā)育和衰退的規(guī)律，解析腦部疾病。

繪制人腦圖譜如同描繪一幅探索大腦的“地圖”，是開展腦科學研究的基礎。

脫穎而出的“聯(lián)影”

先進的現(xiàn)代化的醫(yī)學影像設備，是繪制腦圖譜以及開展腦科學研究的關鍵工具。張旭說：“繪制腦圖譜，開展腦科學研究，對影像設備性能要求極高。比如我們很多腦研究會追根溯源到一個神經元，目前臨床上對神經元的分辨率要求是微米級。但在腦研究中，我們希望到亞微米級，甚至以后希望可以逐漸提升到分子層面。”

這就不得不提到分子影像界的話題王——聯(lián)影。

“在成像技術、軟件應用上，聯(lián)影提供了強有力的技術支持。尤其聯(lián)影3.0T探索磁共振所提供的腦影像數(shù)據(jù)，可支持腦解剖連接模式和腦功能研究、腦疾病研究，幫助進一步完善有明確生物學意義的腦圖譜及適用性的驗證方法體系，助力腦科學研究從源頭上進行創(chuàng)新。”張旭院士說。

聯(lián)影為張旭院士（左4）的腦科學研究提供了技術支持。

2016年6月15日，上海市浦東新區(qū)臨港，上海腦-智工程展示。

聯(lián)影推出了世界首創(chuàng)的既可用于科學研究、也可用于臨床醫(yī)療的5.0T超高場MR，具備世界領先水平的高性能3.0T MR和全球技術最先進的一體化PET/MR，及高級腦功能研究應用及后處理軟件系統(tǒng)。這套硬件+軟件系統(tǒng)不僅可以提供更加清晰的結構細節(jié)圖，還能實現(xiàn)快速同步成像，讓人類第一次能以肉眼清晰觀測藥物注射后在人體血管內流動、擴散到被代謝的全過程，為傳統(tǒng)針對大腦為主的神經科學研究擴展至全身和動態(tài)提供新的可能。此外，聯(lián)影uAI大數(shù)據(jù)智能平臺采用創(chuàng)新的數(shù)據(jù)分析模型進行多模態(tài)影像數(shù)據(jù)的在線處理。基于先進的智能算法，讓圖像數(shù)據(jù)計算更快，結果更準確。

更讓人意想不到的是，依靠平常深厚的技術積淀，聯(lián)影僅僅花了一周時間就將三臺高端CT機送入武漢火神山醫(yī)院，并創(chuàng)下了一個前所未有的紀錄：第一次醫(yī)院尚未封頂，大型高端醫(yī)療設備就已進駐。此外，聯(lián)影的uAI新冠肺炎智能輔助分析系統(tǒng)也紛紛部署進了武漢各大醫(yī)院，將戰(zhàn)疫初期5-10分鐘的CT閱片縮短為1分鐘，大部分影像報告的撰寫工作也都轉交給了AI這位不知疲倦的助手。

其實，早在疫情暴發(fā)之前的2019年，張旭就與聯(lián)影的張強博士、復旦大學附屬華山醫(yī)院院長毛穎教授等行業(yè)專家、學者及各自研究團隊聯(lián)合在Nature出版的展望專刊《大腦》上，發(fā)表了文章《腦智科技研究發(fā)展：上海及長三角之窗》，深度闡述了先進醫(yī)學影像成像設備與影像技術如何應用于創(chuàng)新型前沿腦科學和類腦研究，從而推動腦圖譜建設。

張旭感慨，由于國家長期的戰(zhàn)略儲備、技術儲備，使我們能夠在非常短的時間內形成診斷、治療的一個快速反應，這是非常了不起的一件事情。一個國家的科技力量能夠用起來，在整個“戰(zhàn)疫”中間能夠起到一個突擊隊的作用，能夠迅速地對病毒進行診斷，實施對人員的保護，所有的技術一整套的上馬，這個是全世界罕見的。

“今天大家已經熟知的聯(lián)影，還有寒武紀科技、科大訊飛等等，都是我們上海腦-智工程的創(chuàng)始成員，我們跟企業(yè)有聯(lián)合實驗室。這些促進了科學家、技術專家、企業(yè)家之間的磨合和系統(tǒng)的建立，這就是能力的體現(xiàn)。誰能在一周內搞一臺機器出來，而且是那么管用，而且那么先進！”

張旭說，這些“超級大腦”的目標，并不只是要在各自領域里面取得突破，而是要在彼此之間的交叉融合中產生新的技術，新的研究方向以及新的應用領域。“各個領域的科學家、企業(yè)家們說干就干，他們像網絡上的神經元一樣，彼此有著各種各樣的連接，而不像以往，各自在自己的領域里，互相不認識。我們研究院就故意限制規(guī)模，不能走大而全的老路子，而必須是整合相關領域內的專家，讓科學家、技術專家、企業(yè)家平常有更多的互動，這種創(chuàng)新體制產生出來的化學反應，太讓人驚奇了。”

張旭說，上海人工智能搞了那么多年，積累是有的，所以在這種緊急需求下，就能看到力量。就像百貨商店里的貨架上面，擺滿了各種各樣的技術儲備。需要的時候，可以立即從不同的貨架上取下需要的技術進行組合。從單一的圖像分析技術到整合出來一臺機器，上了一線，現(xiàn)在還出口到了東南亞、美國和歐洲，形成供不應求的態(tài)勢，這就是上海的好處。也許并沒有搞得那么轟轟烈烈，但是大家都在工作，而且人與人之間、企業(yè)與企業(yè)之間、科學家之間的互動很強。

張旭及其團隊多年研究腦科學。

很多年前，張旭曾經在一次采訪時“口出狂言”——一個國家如果科學家不能成為億萬富翁，那么說明這個國家的科技是沒有競爭力的。如今，一批批登陸科創(chuàng)板的科學家們正在將張旭的預言變成現(xiàn)實。張旭很自豪，上海腦-智工程的一些初創(chuàng)企業(yè)正在蓬勃發(fā)展，蘊含著巨大的能量，累積估值超過數(shù)千億元。在張旭看來，對于任何一個新興產業(yè)而言，基礎研究恰恰是能夠帶來顛覆性創(chuàng)新、產生引領行業(yè)發(fā)展的核心技術的源泉。

寄語青年：Nothing to lose！

“Nothing to lose！”（不會再失去什么！）采訪當中，張旭多次說到這句話。想當年自己拎個皮箱就來闖蕩上海，而上海也以海納百川的包容精神接納了來自五湖四海的創(chuàng)業(yè)者。“只要你敢闖，就一定能夠把‘草鞋變成自己掙來的‘皮鞋穿上。上海作為全國神經科學基礎科研重鎮(zhèn)，又在集成電路、生物醫(yī)藥產業(yè)、信息科技等方面積累深厚，土壤養(yǎng)分充沛，非常適合科技人才的萌發(fā)與成長。很有意思，我們上海腦-智工程的人，基本上都是新上海人。現(xiàn)在來上海創(chuàng)業(yè)，完全可以享受‘科技拎包入駐的貼心服務，早期投入并不需要太多。”

回到張旭的研究方向上，他的基礎研究和“痛”有關。

神經系統(tǒng)疾病可以分為兩大類，一類是神經元興奮性異常導致的疾病，例如慢性痛、癲癇和抑郁等疾病;另一類是神經元死亡導致的疾病，例如阿爾茨海默綜合征和帕金森綜合征、糖尿病視網膜病變等疾病。其中，慢性痛是發(fā)病率最高的疾病，也是導致社會經濟損失最高的疾病之一。

張旭指出，年輕人無論從事什么職業(yè)，一定要保持好奇心。除了在專業(yè)上要秉持嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度之外，更需要交不同行業(yè)的朋友。“三教九流的朋友都應該去交一些，從他們身上學到教科書上所沒有的東西。這是最快速的學習方法。”

張旭和疼痛研究打交道已經超過了35年。而專注于對“痛”的研究，源于張旭在四軍大第二附屬醫(yī)院當實習醫(yī)生時。張旭對一位病人印象深刻，腫瘤侵入病人的神經，根本無法通過手術治療。而鉆心的難受讓病人在病床上虛弱地呻吟，注射止疼藥嗎啡都無法緩解他的痛苦。醫(yī)療手段終究沒能挽回病人的生命，“當時只有一個念頭，就是把人感覺到疼痛的機理找出來，從根本入手，因癥制藥，減輕痛苦”。

張旭院士（中）非常支持自己的博士生探索不同的人生可能性。

張旭說，腦組織主要包括神經元和膠質細胞。感覺神經元有感受刺激的功能，肢體感覺到冷、熱、痛、癢，其信息都是經過感覺神經元及其神經環(huán)路傳遞至大腦皮層。在神經元中，離子通道參與調控神經元興奮性，基于離子通道機制開發(fā)原研新藥，具有替代阿片類藥物的巨大潛力。跟著張旭做了12年相關研究，學生李帥最終決定離開穩(wěn)定的科研院所，轉而走上一條未知的、充滿風險的創(chuàng)業(yè)之路——創(chuàng)辦賽默羅生物醫(yī)藥公司，開發(fā)相關藥品。

張旭非常支持自己的學生探索不同的人生可能性。“有的導師希望自己的學生跟著自己走下去，我則喜歡從思路上、思維上對他們進行指導。科學本來就是很有趣的。我非常樂于見到他們進行不同的嘗試，我也會從他們身上學到許多新的知識，從師生關系變成朋友關系。”

談及李帥創(chuàng)辦的賽默羅，張旭指出，目前，離子通道和神經炎癥兩大機制面臨的挑戰(zhàn)共性是轉化研究。通常，轉化研究需要完成細胞層面、動物組織層面、動物行為和功能的完整的研究，并且需要病人組織的病理學數(shù)據(jù)和相關臨床病人數(shù)據(jù)的支持。只有當所有數(shù)據(jù)完美契合，形成完整的理論體系后，才能推進一個藥物進入臨床研究，這樣的研究雖然非常耗時，然而產品的成功往往會對相關疾病領域產生革命性的變革。

“李帥就在試圖整合科研機構、醫(yī)院、藥廠和地方政府多方力量去共同完成基礎科研成果的轉化，讓科研成果轉化為市場需求的產品，實現(xiàn)從0到1的質變，建立一個行業(yè)范例。目前，成立7年的賽默羅開發(fā)的新藥在安全性和療效上都具備優(yōu)勢。”

對于一些博士去從事中小學教育工作引發(fā)大材小用的熱議，張旭指出，只有最優(yōu)秀的人才投入教育行業(yè)，才可能有最好的教育，才能培養(yǎng)出更優(yōu)秀的人才。這絕對不是一種浪費。尤其是基礎教育階段，老師影響孩子的一生。博士未必會教書，但他的專業(yè)知識一定過硬，學習能力一定夠強，科學思維足夠嚴謹，他們的眼界和經歷就足以給孩子們好好上一課了。用高素質的教師去培養(yǎng)下一代是相當有必要的，能力素養(yǎng)高的人遍布社會的各個層面，這樣我們的社會才會不一樣。“博士老師不是太多了，而是太少了！”

繪制人腦圖譜的張旭院士，在中學時代的畫作也很有藝術潛質。

跟著張旭做了12年研究的學生李帥創(chuàng)辦了賽默羅生物醫(yī)藥公司，開發(fā)相關藥品。

張旭指出，年輕人無論從事什么職業(yè)，一定要保持好奇心。除了在專業(yè)上要秉持嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度之外，更需要交不同行業(yè)的朋友。“三教九流的朋友都應該去交一些，從他們身上學到教科書上所沒有的東西。這是最快速的學習方法。”

有感于Z世代的年輕人普遍比較宅，張旭鼓勵年輕人一定要有點四海為家的冒險精神。整天對著手機、電腦，會讓人的視野和思維受到限制。“其實人生最大的幸福就在不斷的探索之中。不斷創(chuàng)新，不斷尋找機會，不斷實現(xiàn)自己的目標，這種科學家精神一定要有。這么多年來，我擁多了好多不同領域的朋友，大家都很開心，做事情仍然很瘋狂，我就覺得很有意思。我們這個行業(yè)，很多都是開創(chuàng)性的領域，并不是看得見摸得著的。未知恰恰是最有魅力的事情。而年輕人最大的資本就是可以去試錯，考慮太多反而對自己是個很大的束縛。”

很多年前，張旭剛到上海的時候，喜歡去徐家匯一帶的裝裱店裝裱自己中學時代的畫作。一來二回和店主熟悉了，店主說張旭的畫很好，能夠賣不少錢，想幫他賣掉賺錢。張旭頭搖得跟撥浪鼓似的，“不能賣，不能賣！我現(xiàn)在畫不出來了”。

多年的科學思維訓練，磨滅了張旭頭腦中天馬行空的藝術家思維。不知道這位和腦科學打了一輩子交道的科學家，能否在人生的下半場研究一下怎么讓一顆大腦既嚴謹又浪漫？（本欄目支持：上海市科學技術普及志愿者協(xié)會）