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脑机革命:马斯克向左,陈天桥向右

  文/林志佳  

  来源:钛媒体(ID:taimeiti)

  脑机革命,未来是会以马斯克的对大脑“炸开城墙”式直接展开,还是以陈天桥的对大脑“特洛伊木马”式借道展开?

  造出了特斯拉,发射了 SpaceX 载人飞船,打造了超级隧道,上天入地的埃隆·马斯克如今又想把芯片植入人类大脑。

  给人的脑壳开一个“洞”,把一块硬币大小的、带有传感器的“芯片”植入进去,到底可以帮人类做什么?

  在马斯克的设想中,一枚芯片可以让大脑和计算机有了一条通路:“它”可以实时监测你的健康、并警告你是否有心脏病发作、中风等风险;“它”可以模拟催产素、血清素等化学物质的释放,通过控制激素水平,减轻焦虑,缓解抑郁——对,抑郁症患者的福音;“它”甚至可以存储一个人的记忆。

  承载脑机接口梦想蓝图的,是他在 2017 年成立的新公司 Neuralink。遗憾的是,今年 8 月 29 日,Neuralink 公司在第二次成果发布会上出来演示最新技术成果的依然不是人类,而是三只小猪——距离首次发布会过去了一年多,马斯克的脑机接口研究依然没完成临床人体实验。

  人类大脑,这个果冻般的、约占人体体重 2.1% 的东西,包含近 1000 亿个神经元细胞,藏着人类诞生以来最难破解的秘密,也激发了全球无数科学家和实验室的探索,但到目前为止,人类对大脑能力和奥秘的开发“还不到大脑真相的1%”。

  我们从哪里来、到哪里去?人类为什么可以不断发掘脑潜能,却无法控制大脑?人类生命对终极命题的发问终会归结到对大脑的无尽好奇。

  而更为现实的问题是,瘫痪、脑损伤疾病、阿尔兹海默症等等疾病对人类的困扰,已经严重影响了我们的生活质量。脑科学也因此成为全球公认的最前沿也最难的学科。

  一位中国企业家领袖的身影,若干年前也开始活跃在世界脑科学界的核心舞台上,他就是盛大集团创始人,如今的 TCCI(陈天桥雒芊芊研究院)创始人陈天桥。他在今天已经非常不乐于被媒体提起他曾经“31 岁就成中国首富”,更不乐于再被提及“至今无人打破这个年龄纪录”的事实,低调潜身于科研慈善事业。2016 年,陈天桥以私人捐赠的方式拿出 10 亿美元,资助全球脑科学的基础研究,义无反顾。

  与马斯克一样,陈天桥也希望撬动人类大脑。治疗脑疾病也是 TCCI 资助科研的出发点之一,但他对脑科学领域基础研究的长期判断,却和马斯克“唱了反调”——他首先反对的就是马斯克的脑机研究对健康人也要进行“开颅”干预。

  开颅,还是不开颅,这是个问题

  2020 年 10 月,TCCI 首个「脑科学前沿实验室」在大型神经医学中心上海华山医院虹桥院区落成,并展示了中美科研专家在脑科学研究不同领域的最新研究成果。最引人注意的一项成果,来自麻省理工学院多媒体实验室 Pattie Maes 教授在会上展示的如何用嗅觉进行梦境控制。

  在会议结束后,陈天桥近期接受了钛媒体 App 的独家专访。有趣的是,陈天桥把类似这种“嗅觉控制大脑”的基础研究项目,形容为“特洛伊木马”、借道攻城方式的一种——而非马斯克那样直接“打开脑颅”的“炸开城墙”方式。

  陈天桥告诉钛媒体 App,马斯克通过芯片植入三只小猪大脑获取信号的方式,并不是革命性的突破。“不论用猪还是拿老鼠来实验,没有区别。展示的猪产生了意念和行动,大脑电波自然会动,其实是一个常识。”

  但开颅的意义在于“服务临床治疗”,开颅手段在临床治疗上已经愈发成熟。“我一直强调,对于病人,我们应该以治病为主,一切最新技术,一切可行手段都要使用,包括开颅。有两个案例,那就是我最早投入加州理工就是因为看到了加州理工教授已经完成了对瘫痪病人的电极植入并且指挥机械臂进行操作,甚至可以通过刺激脑部区域让瘫痪病人直接感受到失去知觉部分的知觉,包括能够读取大脑中的想法等,这些都是需要开颅的。”陈天桥对钛媒体 App 详细阐述了其对于“打开脑颅”的看法,更适用于“治病救人”,而不适用于健康人的大脑研究与开发。

  “现在这一路线上的研究重点,是如何让植入的芯片更安全、信道更多、数据更准确的问题,但这种开颅治疗并不属于革命性的突破。我们支持的中科院微系统所的陶虎教授的新型大脑电极,其实比 Neuralink 进展更快。”

  在前述「脑科学前沿实验室」成果展示中,就特别展示了陈天桥所提到的项目,由中科院上海微系统所陶虎研究员团队和华山医院神经外科团队共同承担。

  该科研项目最大亮点,是在小鼠的颅内植入“神经元几乎感受不到的”、超薄、超柔的高通量神经信号采集芯片,通过神经信号处理接口电路直接相连的电脑,来实时反映小鼠活动时的脑电信号变化。小鼠脑中所植入的电极,创造性的使用了丝蛋白这一中国古老材料,据陶虎介绍,“其在植入创伤、长期在体安全性等关键技术上已经达到甚至部分超越了 Neuralink。”

陶虎教授的小白鼠实验

  “但是我们今天讨论的共同愿景,是如何能够让绝大多数人群,主要是健康人群能够把大脑直接和电脑互动,这一点上,我和马斯克的观点上是不一样的, 我们不能炸开健康人大脑的城墙强行连接和传输。” 陈天桥非常明确表达了自己与马斯克在大脑研究方向上的分歧。

  陈天桥认为,真正能带来技术突破的脑科学基础研究,不一定要打开脑壳“炸开城墙”,“我们不应该像马斯克这样造另一个外脑”。人类完全如“特洛伊木马”攻城一样,借用大脑已有的入口,例如耳、鼻、喉、眼、口等五官五感本身就是大脑已经对外有的入口,Pattie Maes 教授利用“嗅觉”进行梦境控制的方式,就是通过五感进入大脑。

  “如果想要攻破城门,只需要像特洛伊木马一样放在城门口。也就是说,大脑有更多类似 API 插件或者是 USB 插口,在城门口沟通接入就可以了。 首先,利用已有的城门,通过 AI 编辑递送的包裹本身的信息,对大脑特定区域的脑区进行干预和互动。现在 MIT 的教授已经可以通过 AI 编辑的一段特定信息给猴子看能准确地激活猴子大脑特定区域。其次,利用非侵入式(如 ultrasound)或者半侵入式(通过血管倒入纳米芯片)把信号和大脑特定区域进行交互。”

  “坦率说这两个方向在技术上比直接动手术更难,我们需要有更长时间的准备,基础研究不可缺少,这就是我们为什么和学术机构保持持续良好的互动,不断推进的原因。”

  马斯克在极力的向公众“秀”出他的快速“成果”,而陈天桥则认为基础研究不应该急功近利。两位心怀人类终极命运的创业者,在脑机革命的路上,狭路相逢。

图为 TCCI 研究院创办人陈天桥(右)和雒芊芊(左)

  “侵入式”和“非侵入式”路线之争

  2015 年,陈天桥雒芊芊夫妇包了一架飞机搬到美国加利福尼亚州这个“应许之地”。

  这是多年前陈天桥患重度焦虑加惊恐发作(Panic Attack)之后第一次坐飞机。他曾在接受腾讯采访时说,自己曾先后有三家公司在华尔街上市但没去敲钟,因为要飞到纽约;与哈佛和麻省理工合作时,他无法坐飞机,校长们别无他法,只好飞过太平洋来拜访陈天桥。

  搬到加州没多久,陈天桥做出首个重要决定——建一座脑科学学院,“先期投入 10 亿美元”,他在捐赠仪式上如此承诺。加州理工学院的脑神经科学家 Richard A. Andersen 教授则被任命为新学院脑机接口中心主任。

  连续五年,陈天桥不断接触科学家和实验室负责人,仔细找寻心仪的美国的大学和研究所。

  从加州到纽约州,从华盛顿到亚利桑那,过去五年登记在他脑内的顶尖科学家已超 300 人,28 所大学校长向陈天桥描述了未来十年本校在脑科学领域的愿景。钛媒体创始人赵何娟曾跟随陈天桥访问几家美国著名大学的校长和若干实验室,亲眼见证了陈天桥如何因为对几位年轻科学家正在演示的研究项目 PPT 感兴趣,就当场宣布向该科学家捐赠,惊得赵何娟目瞪口呆。

  “他果然是动真格的。” 赵何娟在那趟行程后表示。

  在学术界,脑科学也被叫做认知科学,一种探索大脑是如何工作的科学技术——如何思考、如何记忆、如何学习等,而脑机接口是其中最为外界熟知的一项。

侵入式脑植入物帮助瘫痪恢复手臂的技术过程

  如今,对脑机接口公认度较高的一个定义是:脑机接口(Brain–computer interface,BCI)是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间建立起直接通路,通过脑电波的反馈,让计算机获得信息,采集人们大脑中生物的特征值,并把信息翻译成机器语言,从而反馈到肌体,完成脑和外部设备间的信息交换。

  用陈天桥对钛媒体 App 的比喻来说,“形象点来说,我们对人的大脑认知控制或者了解,就是要把‘大脑’这座城墙打开一个门洞,来对其进行一定的影响和控制。”

  从实现脑机接口应用的技术研究来分类,目前有公认的三类技术路线:侵入式、部分侵入式、非侵入式。

  侵入式:在人的头部打开一个洞,然后利用一个类似立方体的脑机设备,将大约七八厘米左右的电极插入大脑内部,直接采集人们大脑发生的电信号变化,来推测人们的意识。这种目前主要用于重建特殊感觉(例如视觉)以及瘫痪病人的运动功能,或用在 SEEG(立体定位脑电图)当中。

  非侵入式:在不破坏人体大脑的情况下,比如通过 EEG(脑电图)、MRI(核磁共振)、FMRI(功能性核磁共振)、红外线等方式,去采取人们大脑中非常细微的脑电变化、信号变化,然后对视觉皮层的信号进行模式识别和图像拼凑,利用大量数据、算法去推测大脑中的信息。

  半侵入式:这主要是利用颅内脑电图(ECoG)技术,将头盖骨打开,然后把电极阵列放在大脑的皮层上面,但不破坏大脑,然后把电极插入大脑中,主要进行癫痫的诊断和科研探索等。事实上,这种半侵入式一直都有争论。因为这种也要做开颅手术,且比侵入式突破的深度层级反到更大,电级要植入到颅腔内才可以。

  马斯克的 Neuralink,是典型的侵入式路线的明星公司。

  2019 年 7 月 16 日,Neuralink 首次公布了其在脑机接口研究上的“重大突破”:依靠线程(Threads)、机器(Robotics)、芯片(Chips)、算法(Algorithms)四个具体方向,利用手术机器人、N1 传感器和柔性电极三大工具,以侵入式脑机接口方式建立脑-机系统,并成功在小鼠上进行了实验。

  今年 8 月,马斯克携三只小猪再次对外展示了 Neuralink 侵入式脑机接口技术新进展。最核心的变化在于传感设备的变化,传感设备缩小到“硬币”大小(产品名为 Link V0.9),并将 1024 个柔性电级内嵌其中,而神经外科手术机器人 V2 比前代变得更加智能、快捷,缝合过程大约需要 30 分钟,一小时内完成整个脑机植入过程。

  然而,针对马斯克的研究展示,多位业内专家告诉钛媒体 App,Neuralink 的这一成果在脑机领域“并没有丝毫创新”,“鼠狗猪都是必经之路,说明不了什么问题。”

  因此,与 Neuralink 这种侵入式路线来说,非侵入式的方式暂时更被科学界认可:不会介入脑内影响通路,更容易让普通患者所接受。但是也因为大脑有一个极其坚硬脑壳保护,非侵入式的研究进展很慢,实验成果暂时并不显著。

  从大脑构造来看,人脑从外到内依次是外层的头皮、头骨,头骨下有三层膜将大脑包裹起来,分别为硬脑膜、蛛网膜和软脑膜;再往内是大脑皮层(灰质)和白质。

  正常来说,侵入式脑机接口设备将会把电极植入大脑皮层,然后反馈信号;而非侵入式脑机设备,类似脑电图,只是会穿过头骨但位于大脑皮层外,不会介入脑内影响通路。

  从实验角度看,科研机构以及企业对侵入式技术的实践十分谨慎。其设备直接从大脑神经元周边采集信号,或在神经元上直接采集神经元层面的尖峰电位(spike)。尽管它采集的信号精准度很高。但对实验对象来说,开颅手术目前仍不可避免。而相对来说,非侵入式更易大量实验。

  在非侵入式手段中,用于记录信号的硬件设备近年来都没有太大变化,目前不管是相关高校机构,还是商业企业,硬件只是收集数据作用,更多技术提升都在神经解码环节,利用迁移学习和深度学习等手段,从而获得更高精度信号。

  不过,非侵入式最大的瓶颈在于,如果设备离神经元越远,相对而言获得的信号就越模糊。加上数据量不够,信号准确性很难把握,采集回传的信息精度大打折扣,信号预处理的难度陡然上升,从而导致脑机接口技术传输有偏差。

  陈天桥则认为,这一问题可以通过“特洛伊木马攻城”的方式采集“深层数据”解决。

  “实际上,我觉得 1000 万人、1 亿人的实验,这可能是你们理解的大数据。但是,如果专注把即便只有一个人的大脑数据研究透,这种数据量都已经是足够多到你无法处理的地步了。后者更多是我们想要做的,我们内部将其叫成深层数据(DeepData),这个才是关键数据要点。”

  “详细来说这个深数据问题。其实这个更多的是研究你的行为,比如正常人看手表,看 App,社交、睡眠、点头、眨眼这些动作,我认为这都是数据。那么,捕捉这些数据,然后进行研究,这并不需要你有 1000 万人、1 亿人做这个事情。更多还是在于,你给不给他这个数据,这事更为关键。”

  陈天桥说,科学家们可以利用这种深层数据,加上机器学习算法等技术手段,在不损伤患者大脑的情况下,可以达到与侵入式一样的效果和反馈,甚至要超越后者。

  TCCI 在选择资助项目和实验室的最初阶段,就一直在寻找那些利用非侵入式(Non Brain)技术方式来解决问题的项目和科学家。“也是因此,(科学家们)研究时间可能要更长,花上 5 到 10 年,我希望在这个时间内解决并实现技术应用。”陈天桥对钛媒体 App 表示。

  他对钛媒体 App 说,TCCI 资助的研究类型,“侵入式”和“非侵入式”都涉及,但他们主攻利用 AI 和大数据手段,实现非侵入式脑机交互。不管从伦理上,还是准确和安全性上面,后者在临床应用层面更能被大众所接受。

  “但我们和侵入式不同点来说,我们就像希腊人藏在特洛伊木马里那样,光明正大通过城门进城攻城,而马斯克的研究方式则是‘炸开城门’,给脑壳开个洞。而我认为,并不需要像马斯克那样‘炸开城门’,更多作为 API 插件或者是 USB 插口,在城门口沟通接入就可以了。”

  对于大脑研究的难点,陈天桥大脑是这样想的,“纵观整个人类的工业化历程,从电力革命到计算机互联网,都是把人的欲望和「机器」联系起来,但你有没有意识到这个问题:人类很难控制(自己的)大脑?” 按照他的理解,通过不同方式去读取大脑信息这件事,人类已经做到了,最难的是,“研究人类对自己大脑的控制机制”。

  脑机革命:马斯克向左,陈天桥向右

  被称为“脑机接口之父”的美国杜克大学医学院神经教授米格尔·尼可莱利斯(Miguel Nicolelis),在今年 11 月的腾讯科学大会上接受钛媒体 App 采访时说,“马斯克讲的这些,我一个字都不同意。”

  尼可莱利斯教授的的观点,更接近陈天桥的逻辑。他认为,Neuralink 公司的思路是一个死胡同,侵入式脑机接口技术仅适用于那些特别严重的神经系统受损患者,即完全瘫痪的病人;而对于大部分患者来说,更建议采取安全性较高的非侵入式脑机交互技术。

  “这是我长久以来的担心,因为我本人不只是一个神经学家,我还是一名医生。作为医生,我认为患者的安全是第一位的。人和动物毕竟不一样,对动物做研究,在它的大脑和身体里放入植入物,这个研究我们已经做了 38 年,包括猴子、老鼠,我们能够确保这些实验动物的安全。”尼可莱利斯告诉钛媒体 App。

  因此,因为有了在“侵入式”还是“非侵入式”技术路径的不同判断的基础上,与马斯克的 Neuralink 不同,陈天桥创立的 TCCI 研究院也选择了不一样的运作模式。

  TCCI 资助科学家团队的前提,是陈天桥为 TCCI 的发展设计了完整的规划。在前沿脑科学领域,TCCI 的研究基石是以人脑精准度(Precision)、医学性(medicine)为概念,通过对人行为的数据收集,对大脑区域的研究,准确获知人的大脑信息,从而找到信息和区域的对应关系;然后利用 AI、大数据等手段,将信息筛选、归类,形成一种特定激活区域的脑机处理能力;最终在非植入大脑物体下,实现脑机交互,并期望将对用户进行治疗或者认知改变。

  差异一:出发点不同

  对于马斯克提出的宏达设想,陈天桥认为,目前有两个问题没办法解决:一个是技术实现路径问题;另一个是伦理问题。

  “开脑洞”对人脑的伤害是显然易见的。正是由于马斯克对舆论的影响足够大,媒体和公众普遍忽略了对于‘病人’的关注,还有技术手段对人的伤害。TCCI 对技术路径的判断,出发点也是站在临床角度,或者说患者角度考虑,“以最不受伤害的方式,可以取得同样的作用,并不一定需要像马斯克这样去损害完整的生命体。”

  从伦理角度而言,陈天桥表示,“人的伦理在于心。再怎么安全,心是永远很难打开的。先不说患者,仅仅就说我们健康人,在脑袋开个洞、再植入异物,没人愿意这样做。”

  TCCI 在基础研究项目的筛选标准,直接体现了他与马斯克的本质不同。TCCI 主要聚焦大脑探知、大脑相关疾病治疗和大脑功能开发三大领域的研究,包括脑机接口、睡眠梦境、认知评估、数字医疗等多项科研内容。

  通过这个定位,陈天桥找到了 MIT(麻省理工学院)多媒体实验室教授 Pattie Maes、加州大学旧金山分校神经工程中心主任 Edward Chang 等人,资助他们开展脑机研究。

  在美国“地毯式”搜寻科学家和项目两年之后,TCCI 的资助正式落地中国。考虑到中国在脑科学基础研究层面还有一定距离,TCCI 在中国的捐赠,主要包括与华山医院和上海精神卫生中心的合作,以及通过这一窗口建立实验室。

  3 年后,TCCI 的中国之旅再进一步。10 月 23 日,TCCI 与华山医院的合作取得了最新进展,首个脑科学前沿实验室在上海华山医院虹桥院区落成。

  在落成仪式上,Edward Chang 教授回报资助之恩,首次发布并展示了其所在实验室的“读心术”最新成果:采取植入式脑机接口技术解码语言信号,解码速度接近正常说话,准确率达到 97%,并且对患者的脑部伤害达到最低。

  同样在这场会上,来自中国的科研团队也展示了在梦境检测方面的最新研究成果:在睡眠和梦境实验室里,一位年轻男子躺在监测床上,全身密布电极、线路,这是传统用于睡眠障碍监测诊疗的 PSG 设备。而一边的年轻女孩,仅仅需要头上贴着一片薄薄的电极贴,就可以实时监测睡眠脑电、呼吸、心跳等多个重要指标。在技术路线的分类上,这是典型的“非侵入式”临床手段。

男子通过 PSG 设备和数据监测提升睡眠质量(来源:TCCI)

  “技术对人类大脑的伤害程度如何”,是陈天桥在选择资助项目的一个重要出发点。

  他向钛媒体 App 表示,不管外界如何看待资助这件事,TCCI 这家科研机构依然需要支持全球科学家开展脑科学方面研究,这既是他对社会的责任,也是为人类脑科学发展造福的一条重要路径。

  “我们 TCCI 搜遍世界上的科学家和实验室,通过5~10 个实验室,建立早期的技术模型,不但要资助,而且要将最具潜力、前途的科学家挖进我们的实验室,给他们学术自由、给他们资金,让这些科学家发挥才能,能够做出一个非侵入式的,为人类造福的脑科学技术解决方案。”

  差异二:规划不同

  在创立 Neuralink 之初,马斯克多次谈及未来规划目标,诸如 25 年内 Neuralink 将有望开发出全脑接口(Whole Brain Interface),即让人类所有的神经元和 AI 载体连接在一起,这听起来的确颇为科幻。

  相对于马斯克的科幻论调,陈天桥提出的是稳扎稳打的“三步走”研究规划:大脑研究(Brain research)、临床治疗(Brain treatment)和脑网络,这也是他在创立 TCCI 之初就已经清晰的规划。

  “未来我们想要做 Brain development,也就是脑发展网络,就是说如何能够在大脑研究的基础上面,让大脑变得更强壮,包括利用 AI 技术、AR/VR 等,还有你大脑的 vision 视觉,重新创造和感知这个世界。”陈天桥对钛媒体 App 表示。目前,按照 TCCI 的规划和进展,第一阶段已经“做到一半”,第二阶段则正在进行中。

  Neuralink 天然要更关注商业模式和技术的普适性,脑机接口技术应用的市场;而陈天桥则是通过资助基础研究,定义从基础科研到商业落地的逻辑。

  除了上述的技术“三步走”之外,陈天桥对钛媒体 App 强调,TCCI 不介入科研研究,只是资助身份,让科学家放开手脚去做一些很重磅的研究课题,只要最终能够落地,对人类有贡献,有帮助,足矣。将“不计成本”的支持科学家开放研究。

  TCCI 成立以来,他个人的精力主要放在美国基础科研领域,寻找专业的科学家;而在中国脑科学前沿实验室的建设上,由 TCCI 转化中心主任、华山医院院长毛颖教授领导。陈天桥认为,私人方式资助基础科学研究,是回报社会最好的方式。

  极具舆论影响力的马斯克,曾表达过他研究脑机接口的初心,是“为了避免人类被人工智能控制”,终极目标是让“全脑接口”能力在全人类实现商用;而陈天桥的目光则放在了下一个十年的产业革命上,他曾提出,下一次产业革命的基础是认知科学。

  新冠疫情席卷全球之间,马斯克与陈天桥两位脑机接口的灵魂人物也在相互关注对方,双方约定能在疫情稳定后面对面进行一次深度交流。尽管两人的技术路线不同,获取回报的路径更不同,但他认为,马斯克和他有着同一个最终夙愿——造福人类健康。

尽管 2020 年是充满挑战的一年,但学术研究并未因此停滞,仍然诞生了许多有意义的技术突破。在 NLP 领域,OpenAI 的 GPT-3 可能是其中最 “出圈” 的,但除它之外,肯定还有很多其他研究论文值得关注。整体来看,2020 年的主要 NLP 研究进展仍以大型预训练语言模型为主,特别是 transformers。今年出现了许多有趣的更新,使得 transformers 架构更加高效,更适用于长文档。另一个热点话题与 NLP 模型在不同应用中的评估有关。业界仍然缺乏普适的评估方法以清晰定义一个模型究竟哪里失败了,以及如何修复这些问题。另外,随着 GPT-3 等语言模型能力的不断增强,对话......Next article READ