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今年春節(jié)，一張張字跡書寫規(guī)整的“福”和“牛”字春聯(lián)張貼在天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院里，這些春聯(lián)并不尋常，都是出自腦電波操控的機(jī)械臂之“手”，是天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)依靠腦—機(jī)接口技術(shù)，通過自主研發(fā)的“哪吒”多腦協(xié)控智臂系統(tǒng)完成的。

腦—機(jī)接口是人類探索大腦的前沿科學(xué)方向之一。時(shí)至今日，理解腦的工作機(jī)制，對于治療重大腦疾病，對人腦功能進(jìn)行開發(fā)、模擬和保護(hù)，以及搶占國際競爭的技術(shù)制高點(diǎn)具有重要意義。

早在2016年，“中國腦計(jì)劃”——“腦科學(xué)與類腦研究”就作為重大科技項(xiàng)目被列入國家“十三五”規(guī)劃。在最新出臺的“十四五”規(guī)劃綱要草案中，“腦科學(xué)與類腦研究”被繼續(xù)列入重大科技項(xiàng)目之中。

1月19日，科技部公開征求科技創(chuàng)新2030—“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目2020年度項(xiàng)目申報(bào)指南意見，為我國腦科學(xué)研究實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展吹響了號角。

“中國腦計(jì)劃”布局一體兩翼

為加快我國腦科學(xué)研究，2014年3月召開的香山科學(xué)會議以“我國腦科學(xué)研究發(fā)展戰(zhàn)略研究”為主題，探討了中國腦科學(xué)研究計(jì)劃的目標(biāo)、任務(wù)和可行性。經(jīng)多次論證，各領(lǐng)域科學(xué)家提出了“中國腦計(jì)劃”一體兩翼的布局建議，即以研究腦認(rèn)知原理為“主體”，以研發(fā)腦重大疾病診治新手段和腦機(jī)智能新技術(shù)為“兩翼”。

“一體”在腦認(rèn)知原理方面，主要解決3個(gè)層面的問題：一是大腦對外界環(huán)境的感官認(rèn)知；二是對人類及非人靈長類自我意識的認(rèn)知；三是對語言的認(rèn)知，用以研究人工智能技術(shù)。

“‘兩翼’中，在探索和治療大腦疾病方面，攻克孤獨(dú)癥、抑郁癥、老年癡呆癥、帕金森病等疾病是首要目標(biāo)。”中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員仇子龍表示，各種腦疾病增加了社會和家庭的負(fù)擔(dān)，且絕大多數(shù)腦疾病尚無有效治療方法，亟須在診斷和治療上有所突破。

“另一翼則是如何利用腦科學(xué)研究來推動新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展，即類腦科學(xué)。當(dāng)前類腦科學(xué)依賴兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，分別是仿腦計(jì)算和腦—機(jī)接口。”天津大學(xué)科研院常務(wù)副院長、醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院院長、天津腦科學(xué)中心主任明東進(jìn)一步介紹，目前仿腦計(jì)算的國際前沿技術(shù)研究主要包括類腦芯片、類腦計(jì)算體系結(jié)構(gòu)等；腦—機(jī)接口的前沿技術(shù)研究主要是高通量腦信息傳感技術(shù)、腦—機(jī)編解碼關(guān)鍵技術(shù)等。

北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授左西年介紹，與歐美、日本的“腦計(jì)劃”相比，“中國腦計(jì)劃”更為全面。比如，“一體”部署中所包括的兒童腦智發(fā)育和提升研究，是世界上最前沿的腦科學(xué)研究方向之一，面向國家在兒童、青少年學(xué)習(xí)教育和健康發(fā)展方面的重大需求，建設(shè)大型學(xué)齡兒童的長期追蹤隊(duì)列，揭示腦智發(fā)育的一般規(guī)律和提升機(jī)制。

根據(jù)“中國腦計(jì)劃”布局，北京、上海均已啟動“腦科學(xué)與類腦智能”地區(qū)性計(jì)劃，并分別成立腦科學(xué)與類腦研究中心。中國科學(xué)院也成立了包含20家院所80余個(gè)精英實(shí)驗(yàn)室的腦科學(xué)和智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心，各高校也紛紛成立類腦智能研究中心。

腦智提升計(jì)劃將揭示腦發(fā)育神經(jīng)科學(xué)機(jī)制

隨著“中國腦計(jì)劃”的實(shí)施，我國在“腦科學(xué)與類腦研究”領(lǐng)域取得多項(xiàng)世界性突破。

2020年4月，《自然》主刊在“自然聚焦—中國腦科學(xué)”欄目中，介紹了正在蓬勃發(fā)展的中國腦科學(xué)領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀、研究成果以及產(chǎn)業(yè)化情況。

“我國近些年在仿腦計(jì)算和腦—機(jī)接口方面發(fā)展迅猛，在仿腦計(jì)算方面，2019年，浙江大學(xué)發(fā)布了‘達(dá)爾文’二代神經(jīng)擬態(tài)類腦芯片；2019年，清華大學(xué)成功研制出國際首款異構(gòu)融合的類腦芯片‘天機(jī)芯’。”明東介紹，在腦—機(jī)接口方面，2014年，天津大學(xué)自主研發(fā)了全球首臺人工神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)“神工一號”；2015年，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套40指令的高速腦—機(jī)接口系統(tǒng)，單指令輸出時(shí)間僅為1秒；2019年，天津大學(xué)研制的“腦語者”芯片問世，為無創(chuàng)腦—機(jī)接口的微型化和實(shí)用化開辟了道路。

在臨床上，我國在腦部疾病的治療和研究方面也取得了一定的進(jìn)展。“經(jīng)過流行病學(xué)研究，2020年公布了中國學(xué)齡期孤獨(dú)癥譜系障礙患兒的患病率為1/142，這是我國首個(gè)通過大型流調(diào)得出的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。”仇子龍介紹，該研究成果為我國孤獨(dú)癥基礎(chǔ)和臨床研究中長期戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

“此外，我國是帕金森病的發(fā)病大國，作為改善帕金森病臨床癥狀的有效治療，我國在深腦電刺激臨床手術(shù)量方面處于世界前列，首都醫(yī)科大學(xué)附屬天壇醫(yī)院、上海交大醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院已經(jīng)成為腦疾病神經(jīng)調(diào)控治療與研究的世界級中心。”仇子龍說。

在臨床研究取得一定進(jìn)展的同時(shí)，我國腦疾病基礎(chǔ)研究也收獲頗豐，在腦疾病的非人靈長類模型研究方面在國際上持續(xù)領(lǐng)跑。比如2016年，仇子龍研究組建立了世界上第一個(gè)自閉癥非人靈長類動物模型；2017年昆明理工大學(xué)季維智院士團(tuán)隊(duì)，首創(chuàng)基因編輯的腦發(fā)育疾病猴模型；2019年，中國科學(xué)院腦智卓越中心張洪鈞與孫強(qiáng)研究組合作運(yùn)用基因編輯以及體細(xì)胞克隆的方法建立了節(jié)律異常與衰老的獼猴模型……

在一體兩翼的布局中，我國的腦智提升計(jì)劃具有創(chuàng)新性和獨(dú)特性。左西年介紹，前期我國在教育質(zhì)量監(jiān)測以及青少年心理認(rèn)知行為的測評、普查等方面，已完成相應(yīng)的大型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)，通過“彩巢計(jì)劃—成長在中國”和“學(xué)齡兒童腦發(fā)育與學(xué)校適應(yīng)的影像遺傳隊(duì)列”的推進(jìn)，積累了地區(qū)性腦智發(fā)育隊(duì)列建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)。“‘中國腦計(jì)劃’中腦智發(fā)育和提升部署，正是在此基礎(chǔ)上，建設(shè)腦發(fā)育的大型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，揭示其神經(jīng)科學(xué)機(jī)制。”

“目前歐美以及新加坡等國家也開展了腦發(fā)育大型研究，比如美國在2015年啟動為期10年的大型‘青少年腦與認(rèn)知發(fā)育隊(duì)列’。”左西年進(jìn)一步介紹，這項(xiàng)研究針對美國青少年成癮和其他普遍存在的風(fēng)險(xiǎn)性行為，通過追蹤1萬名9—10歲的兒童腦智發(fā)育揭示其背后的科學(xué)機(jī)制。而我國的大型腦智發(fā)育隊(duì)列則是服務(wù)于兒童學(xué)習(xí)發(fā)展需求，隨訪調(diào)查了3萬名學(xué)齡兒童和青少年（6—18歲）腦智發(fā)育情況。

未來人類智能和機(jī)器智能將無縫融合

“目前，中國在青少年腦智發(fā)育和提升領(lǐng)域的研究已經(jīng)占據(jù)了世界領(lǐng)跑的位置。”左西年認(rèn)為，其中頗具特色的部署就是國家層面的大型追蹤隊(duì)列，通過10—15年的隨訪，獲得小學(xué)一年級到成年過程中腦發(fā)育和認(rèn)知發(fā)育、心理健康以及行為發(fā)展等各方面的數(shù)據(jù)。

“青少年腦智提升的研究意義重大，為教育部門制定更科學(xué)的教學(xué)計(jì)劃和教育政策提供參考，也可幫家長了解孩子的生長發(fā)育情況，使孩子平穩(wěn)度過青春期。”左西年補(bǔ)充道，兒童心理健康問題和精神疾病都有其早期的潛在發(fā)育病因?qū)W機(jī)制，腦智發(fā)育規(guī)律可為其早期診斷提供科學(xué)依據(jù)。

“‘十四五’規(guī)劃綱要草案對于腦疾病研究的目標(biāo)非常明確，就是以老年癡呆癥、抑郁癥、孤獨(dú)癥這三大疾病為抓手，推進(jìn)臨床資源的整合和基礎(chǔ)研究的發(fā)展。”仇子龍表示，“目前，圍繞有效干預(yù)和精確診斷這兩方面，針對這三大病的各項(xiàng)研究也在穩(wěn)步推進(jìn)。今年國家明確了老年癡呆癥和抑郁癥的研究方向，明年將啟動孤獨(dú)癥的臨床工作，我們期待這些研究在‘十四五’期間能取得進(jìn)展。”

“十四五”期間，我國類腦科學(xué)研究將在核心技術(shù)研發(fā)上取得突破，并實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新的理論和方法的突破。同時(shí)國家還將加強(qiáng)類腦智能相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，使其符合不斷發(fā)展的社會需求。

“類腦研究還能促進(jìn)計(jì)算體系、學(xué)習(xí)理論、人機(jī)交互多個(gè)領(lǐng)域的共同發(fā)展，為新一代計(jì)算變革帶來推力。”明東舉例說，比如用計(jì)算手段對大腦神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與處理機(jī)制進(jìn)行模擬，有望打破馮·諾伊曼架構(gòu)的束縛，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)逼近大腦、性能遠(yuǎn)超大腦、存儲處理一體化、超低能耗、真正超大規(guī)模并行的類腦計(jì)算機(jī)。

“隨著類腦研究的發(fā)展，未來人機(jī)交互形態(tài)將越來越趨近于腦—機(jī)自然交互，人類智能和機(jī)器智能將逐漸實(shí)現(xiàn)無縫融合，從而達(dá)成生物腦與機(jī)器腦之間的優(yōu)勢互補(bǔ)，最終有可能形成人—機(jī)共生的終極形態(tài)。”明東對類腦科學(xué)未來的發(fā)展充滿信心。（左西年 北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授）