脑内传感器 大脑有了“数字孪生兄弟”

大脑有了“数字孪生兄弟”

数字孪生脑平台

不管你有没有孪生兄弟，现在，你的大脑有了“孪生兄弟”。

这个大脑的“孪生兄弟”叫作“数字孪生脑”（DTB）。就像人类大脑的“备份”或克隆体，科学家不仅可以用它整合各类生物脑研究结果，还可以揭示脑机理、启发类脑智能、解锁所有和脑有关的疾病。

近日，电子科技大学生命科学与技术学院神经工程与神经数据团队（中国医学科学院神经信息创新单元）成功建立了数字孪生脑模型，并基于该模型开展了稳态视觉诱发电位响应机制研究。相关成果已在《神经影像》上发表。

类脑智能研究成热点

人类大脑是21世纪最伟大的科学研究领域之一。

“作为现代神经科学与类脑智能间的关键桥梁，以跨尺度脑模拟为代表的计算神经科学技术在帮助揭示脑工作机理、发展类脑智能与通用人工智能算法、开发类脑形态计算芯片等方面起着至关重要的作用。”该团队负责人、电子科技大学生命科学与技术学院教授尧德中告诉《中国科学报》。

在利用计算神经科学技术开展脑科学研究方面，世界其他国家和组织都在紧锣密鼓地布局。

2013年，欧盟发起为期十年的人类大脑研究计划——人类脑计划（HBP）。该计划的核心目标是通过计算机模拟大脑，建立一套完整的生成、分析、整合、模拟脑数据的通用平台。人类大脑包含约860亿个神经元，将大脑模拟到神经元水平需要测量它们自身和相互间的所有微妙特性。面对如此庞大的科学问题，计算机的处理能力仍然有限，无法在实际可行时间内执行这些计算。在HBP的大脑模拟子项目中，研究者以体素/脑区为最小单元,建立全脑动力学模拟模型——虚拟脑（TVB），该平台的主要应用是脑疾病机制研究，其典型应用场景是癫痫患者的个体化精准治疗。

2019年，谷歌发布了果蝇大脑神经元的3D模型（神经元的三维结构重建）。该神经元模型表征了果蝇大脑神经元的几何拓扑形状。在此基础上，谷歌进一步利用大数据和脑连接组，重构了果蝇神经元间的连接组。

“这些工作都是从脑切片的3D几何重建入手，构建神经元间的几何形状以及神经元间的直接连接形态，因此只是结构模型，尚不具备功能意义。”尧德中说，“从功能的角度讲，这些模型还不是孪生脑，但可以作为未来进一步研制DTB的结构基础。”

国内首个孪生脑平台

近年来，“数字孪生”的概念逐步进入人们视野。

这一概念由美国国防部提出，最初是利用数字技术，建立真实飞机模型，并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步，这样每次飞行后，根据结构现有情况和过往载荷，可以及时分析评估是否需要维修、能否承受下次的任务载荷等。

“通俗地说，数字孪生是创建在信息化平台上虚拟的‘备份’或‘克隆体’。”尧德中解释说，“数字孪生脑是基于计算神经科学理论、融合多模态神经影像数据建立的一种全脑尺度的动态脑功能的计算模拟平台。数字孪生脑基于弥散磁共振成像获取的大脑内部结构连接信息，作为确定模型内部连接的基础，再利用磁共振功能成像和脑电磁成像获得的功能信息，对模型参数进行优化。由此得到的模型，将同时在结构和功能上类脑，因此可称之为数字孪生脑模型。”

基于计算神经科学理论，研究人员通过融合多模态神经成像数据，引入并优化国际先进的“结构—功能”迭代优化理论，建立了国内首个数字孪生脑计算平台，并在功能图谱层次实现了对大尺度脑动态的精准模拟。

“该平台在建立时，引入了基于大脑功能数据的反演优化算法，因此仿真精准度更高。”电子科技大学生命科学与技术学院教授郭大庆对《中国科学报》说，“这一优势使得DTB平台的应用领域更加广泛。除了在脑疾病上的应用以外，数字孪生脑平台还将致力于结合实验范式探究脑功能与脑认知，因此在认知神经科学、类脑智能、脑机接口等领域有更广阔的应用前景。”

让人工智能迈上新台阶

“与欧盟的虚拟脑相比，数字孪生脑模型更全面地利用了多模态神经成像数据，并采用‘功能—结构’互约束迭代优化的参数优化方法，在神经活动、血氧信号等多个模态上，实现了对高维‘时—空’脑动态信息交互与脑功能图谱的更精准模拟。”郭大庆说。

目前，DTB作为国内第一家数字孪生脑模型平台，已经历了两个版本的迭代。

“数字孪生脑模型平台支持的脑区规模和模拟精度均已处于国际领先行列。”该论文第一作者张鬲博士说，“同时，在脑动态模型构建过程中，DTB可支持多种动力学模型选择，具备整合皮层下重要核团的能力，并基于并行加速实现了对模型的高效仿真和数据的实时展示。”

研究认为，大脑是由不同功能子区域交互构成的复杂动力学系统，而脑功能是由分布于多脑区的神经网络实现的。

尧德中介绍说，通过数字孪生脑可以帮助人们揭示大脑的基本工作原理，因此它是连接神经生物学实验（微观）与心理认知行为观测（宏观）的桥梁，在类脑智能、脑机接口等研究中将发挥越来越重要的作用。此外，由于DTB具备整合皮层下重要核团和结构的能力，因此“其在脑疾病的调控中比欧盟的虚拟脑更具优势”。

“DTB是生物脑的‘数字兄弟’，可与脑机接口建立合作关系。”郭大庆解释说，“脑机接口是生物脑和计算设备之间的信息通道，实现生物脑与设备之间的信息交换，其效果取决于对生物脑信号的解码和反馈信息的编码，其中生物脑是作为一个黑箱参与其中的，这极大地限制了脑机接口的发展。”

借助DTB，人们可以更深刻地去探讨脑机接口的编解码过程，阐明现行各种脑机接口的机制并探索发现新的范式。事实上，尧德中团队正着力应用数字孪生脑技术开展虚拟脑机接口相关机制研究。近期，他们利用数字孪生脑模型，研究了稳态视觉诱发电位（SSVEP）响应机制，证实了α波段（8-12Hz）刺激能激发更强的SSVEP响应，并揭示了这种频率敏感特性是由非线性夹带和共振引起的，而且可以被大脑的内源性因素调节。这些工作加深了人们对SSVEP脑机接口中的大脑工作机制的认识，为进一步优化SSVEP脑机接口、开发其应用提供了重要的理论支撑。

“理论上，在脑系统层面建立高精度数字孪生脑模型，不仅可以整合各类生物脑研究结果，还可把解剖式生物学研究的断面脑变成生动的动态脑和工作脑，因此可能是揭示脑机理、启发类脑智能、解锁脑疾病的绝佳途径。”尧德中教授说，“该领域还有很大的发展空间，希望国内更多的优秀团队加入数字孪生脑的建立及应用中，发展具有中国特色世界领先的全脑尺度计算模型。相信未来的数字孪生脑可以通过模仿人类神经系统的工作原理，成为一定意义上的通用智能系统，让人工智能迈上新的台阶，在思考、决策上接近于人脑。”

来源： 《中国科学报》

脑机接口迎来新进展：一千个新材料电极直接植入大脑，可使用数十年

钛媒体4月9日消息，美国杜克大学、西北大学和纽约大学的科研团队，利用不到一微米厚的二氧化硅电极层，组成1008个电极传感器的“神经矩阵”(Neural Matrix)，形成柔性神经接口，植入到大脑皮层上，实现机器与人体大脑长期、直接的交互。据悉，这一科研成果于今晨登上世界医学期刊，科学杂志子刊《科学转化医学》(Science Translational Medicine）上。

本论文第一作者，杜克大学生物医学工程学的蒋佳翰（Ken Chiang）博士告诉钛媒体，这一研究成果表明，将电子设备植入体内已成为现实。相比于之前其他的脑机接口（brain-computer interface，BCI）实验，该研究的突破在于，使用了一种新的材料以及感应方式，让设备可在动物体内存在几年以上。

该论文通讯作者，西北大学材料科学与工程学院主任约翰·罗杰斯（John A Rogers）通过邮件方式对钛媒体表示，这一研究的意义在于建立了大脑可扩展的途径，并实现了电子与大脑的微创集成。设备可运行数十年，接近人类的生命。

大脑是一个很复杂的器官，如果通过CT影像拍摄，只能看到脑内的一处，或是模糊不清地观察到脑内静态情况，人类对于脑部的了解都是片面的。

而脑机接口的重要性在于，其可在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间建立起直接通路。一方面，脑机设备可以将大脑信号转化为机器可识别的信号，实现对机器的有效控制；另一方面也可以接收来自机器的反馈，从外部实现对大脑的干预。

时间回溯到去年7月，特斯拉CEO埃隆.马斯克（Elon Musk）宣布旗下神经科学初创企业Neuralink研发“脑机神经织网”设备N1，将3000多个电极附着在柔韧丝状物上，或将实现大脑意念控制电脑，在此之后，脑机接口的研究推向了公众视野，并成为当下热点。

蒋佳翰告诉钛媒体，相比于之前Neuralink等机构的研究，本论文研究重点并不在于脑机接口是否可以与人脑进行联系，而是新的材料是否可以长时间地在大脑内部运作。这一点非常重要，新材料的启用将使得脑机接口可向人们完全使用的方向靠近。

当下的脑机植入设备都被密封在激光焊接的钛外壳内，产生类似沉积薄的聚合物，密密麻麻盘布在大脑皮层上，几乎没有空间性可言。但我们都知道，人脑的空间和灵活性至关重要，所以科研人员希望寻找具有与钛外壳相似的隔离材料，但新材料要更轻薄、更柔软，还能够自行分解，让脑机设备可以完整、长期保留下来。

经过研究与分析后，最终科研人员发现，二氧化硅是非常适合的电极材料，其小巧轻便，不仅可与大脑之间完美融合，而且二氧化硅具有生物相容性，因此材料可降解，速率也仅为0.46纳米。也就是说，二氧化硅溶解到大脑内部的微量物质都不会产生副作用问题。

科研人员利用这一电极，开发出一种新型的多重电极阵列，被称为“神经矩阵”，不会穿透脑组织，而是轻轻地停留在其大脑皮层上。神经矩阵中包含1008个电极传感器和高清晰的影像设备，电极用来连接大脑皮层进行反馈和检测，影像设备可让研究人员详细查看大脑活动情况。

一切准备就绪之后，科研人员开启了实验流程。他们在动物大脑区域的数千个位置进行采样，将“芯片”（晶体管）直接放置在每个采样位置，使用多路复用技术来扩展、增加感应密度和覆盖范围，实现了多达1000个通道的脑机接入。

目前，科研人员已完成数个老鼠和非人类灵长类动物（猴子）的实验，脑机设备持续反馈了一至两年以上，没有任何副作用，实验结果也非常不错。

约翰·罗杰斯预测，研制出的新型脑机接口设备可在大脑表面存留6年以上，不会产生负面情况，甚至，这一设备可达到数十年，在人类生命的尽头，脑机接口设备也能够持续运作下去。

约翰·罗杰斯对钛媒体表示，目前他们正在扩大“全脑”覆盖的范围，并将数量增加100倍以上，形成视觉假体，从而落地成产品。该研究距离商业落地还有几年的距离。

蒋佳翰说，团队希望将该技术分享给全球其他神经科学研究者，能够让人类更快地使用上脑机接口设备。

尽管该研究成果还未落地，但不可否认的是，若BCI商业化得以实现，无论是在医疗或是人工智能等高科领域，都将引发巨变。

随着全球老龄化的加快，人类易患有神经退行性疾病，加上虚拟VR游戏的普及率逐渐提高，在治疗瘫痪患者，神经系统疾病，睡眠障碍以及研究神经科学等使用场景下，BCI设备的作用也愈加凸显。

2019年，医疗终端占BCI市场最大份额，达到37.8%，其中又以北美地区份额最大，约占42.3%。有专家预计，未来BCI需求将大幅提升。

BCI市场规模

据联合市场研究公司（Allied Market Research）的数据显示，2020年BCI市场规模或将达到14.6亿美元；《报告与数据》（Report and Data）杂志则预测，到2026年，全球BCI市场规模有望达到26.7亿美元，复合年增长率为11.1%。

如果从脑机接口可影响到的应用领域来看，不论是医疗、教育还是消费，都将带来远超于十几亿美金的巨额市场空间，未来，BCI可在物联网、电子游戏等多方面的应用落地，这一市场前景非常广阔。

但与此同时，该技术的争议不断。去年10月，浙江金华的一所学校，让学生使用脑机接口头环，类似孙悟空“金箍”模样，引起广泛争议。也有人认为，BCI技术对人体存在伤害，也有人认为，这种技术可以颠覆大家对于人脑的理解。

从总体来看，由于技术和市场目前都还处在非常早期的阶段，产业规模尚不清晰，也没有相关法律可以遵循，市场存在一定的空白区域。

复旦大学附属华山医院副院长毛颖同样表示，未来在与人工智能的共生和融合过程中，如何确保研究方向符合人类利益是值得关注的层面，人工智能的发展会给人类大脑的发展插上翅膀，在这一发展过程中也要密切关注其可能产生的风险并加以控制。（本文首发钛媒体，作者 | 林志佳，编辑 | 赵宇航）

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