已有超万名精神疾病患者植入，或成3000万睡眠障碍人群福音，人工智能和脑机接口发展前景在哪？

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　　来源丨  21新健康（Healthnews21）原创作品
　　作者丨  朱萍、魏笑（见习记者）
　　编辑丨 李欣夷
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　　当今世界关于未知探索最激动人心的两大领域，一个是太空，另一个来自脑科学。
　　＂未来人工智能发展的方向，将是人机协同、人机共生。这不是简单的人类制造、控制、利用机器，更不是人工智能取代人类。而要实现人机共生的构想，离不开对人类大脑的深入了解，这也是脑科学研究受重视的原因。＂近日，清华大学人工智能研究院院长、脑陆科技首席技术专家张钹在＂觉醒·2021脑科学开放日＂会议上介绍脑科学研究对人工智能的发展意义非凡。
　　人工智能的本质，是利用机器来模拟大脑的功能或人类的智能行为，这就决定了人工智能的发展与脑科学、心理学密切相关。
　　实际上，人工智能从1956年发展至今，经历了两个阶段，即＂符号主义＂和＂连接主义＂ 。但张钹指出，这两代人工智能理论上都存在严重的缺陷，不能成为人类智能行为的完备理论与模型。因此，发展第三代人工智能势在必行，其目标是建立可解释和鲁棒的人工智能理论和方法，发展安全、可信、可靠和可扩展的人工智能技术。
　　人工智能和脑机接口两者结合，是未来的重要发展方向。 ＂脑机接口系统里人的成分可弥补人工智能的缺乏，而人工智能的计算分析能力可助力脑机接口的信息分析。如在目标识别中，识别可以人去看，但是分析要靠人工智能。＂美国医学与生物工程院会士、清华大学生物医学工程系教授高上凯向21新健康指出。
　　脑科学技术应用广泛。在医学领域，脑机接口能治疗神经精神系统疾病。 高上凯指出，目前很多神经精神系统疾病既没有合适的药，手术也不适应，而脑机接口能调节大脑的状态，应用于神经康复领域。除医学领域外，现在脑机接口的应用还扩展到非医学领域，包括睡眠监测等。
　　＂我觉得脑科学是一个值得年轻人、乃至所有人投身一辈子的行业。一是它需要攻克的问题太多了，一辈子都解决不完；二是大家都说地球的外面有一个无限的宇宙，但是我觉得我们往里面看，860亿个神经元也很大。虽然有很多问题，但每解决一个技术壁垒，每解决一个科技问题，它都帮助我们人类在进化发展和幸福感的提高上前进了一大步。这是我想号召大家加入脑陆、加入脑科学研究的原因。＂脑陆科技现场脑机交互负责人斯坦福大学学生袁碧添表示。
　　发展第三代人工智能势在必行
　　人工智能的本质，是利用机器来模拟大脑的功能或人类的智能行为，这就决定了人工智能的发展与脑科学、心理学密切相关。
　　张钹介绍，人工智能从1956年发展至今，经历了两个阶段。第一代是＂符号主义＂ ，理论基础来自认知心理学。该理论认为＂符号＂是人类认知的基本单元，认知就是对＂符号＂的操作。依据该理论，可以建立人类理性行为的模型，通常又叫做＂知识驱动的人工智能方法＂。
　　第二代是＂连接主义＂ ，理论基础来自神经科学。该理论认为建立在神经网络基础上的亚符号处理，是人类智能行为的基础，依据该理论可以模拟人类感性行为（感觉、情感与直觉等），通常又称为＂数据驱动的人工智能方法＂。
　　但实际上，这两代人工智能理论都存在严重的缺陷，不能成为人类智能行为的完备理论与模型。张钹指出，因为符号主义存在＂符号根基＂问题（thesymbol grounding problem），只能用来模拟人类的理性行为，不能用来模拟人类的感性行为和与周围环境的交互。而连接主义虽然在模拟感性行为方面取得一些进展，但是它不能提升到理性的高度，存在不安全、不可信、不可靠和不易推广等缺陷。
　　从应用上看，目前的人工智能只能解决完全信息和结构化环境下的确定性问题，如语音识别、图像识别、下围棋（完全信息博弈）等，与人类大脑所表现出来的随机应变和举一反三的能力相去甚远。
　　因此，发展第三代人工智能势在必行。信息技术革命在二战前后开始发展迅猛，其中重要的原因，是信息领域的三大基础理论的建立，即图灵的计算机理论（1936），香农的通讯理论（1948），维纳的控制论（1948）。这些理论助推信息革命的高速发展，但人工智能的发展恰恰相反，至今尚无理论基础，因此发展缓慢且曲折。
　　张钹指出，发展第三代AI的目标，是建立可解释和鲁棒的人工智能理论和方法，发展安全、可信、可靠和可扩展的人工智能技术。＂我们的发展思路是把知识驱动和数据驱动的方法结合起来，充分利用知识、数据、算法和算力这四个要素，才能达到真正的人工智能。＂
　　人工智能和脑机接口结合是大势所趋
　　张钹认为，尽管人工智能有60多年的发展，但现在基本上只是序幕，根本没有进入到核心问题。如何进入核心问题？这里面存在着＂从0到1＂的创新要求，而第三代人工智能正是要解决这一创新问题。＂现在人工智能面临的困难在于，我们对人类的智能尚不清楚。人工智能要做的是用机器来模拟人类的智能行为，不是模拟intelligence（智能）。＂
　　清华大学集成电路学院副院长、副教授姜汉钧也指出，人工智能，本应是模拟人类的智能，但是因为现在我们对智能了解得太少，所以只能退一步模拟智能的行为。
　　张钹表示，人工智能发展的未来将是人机协同、人机共生 。而实现人机共生的构想，离不开对于人类大脑的深入了解，这也是脑科学研究受重视的原因。
　　因此，发展第三代人工智能的关键在于与脑科学研究结合。 ＂基于深度学习的人工智能技术为什么表现得那么脆弱和容易受攻击，原因在于我们所使用的人工神经网络模型与大脑实际的神经网络相比，过于简单。解决这个问题的途径就是向大脑学习，构建更加复杂和准确的神经网络模型，发展脑启发下的计算（Brain-inspiredcomputing）。＂张钹称。
　　此外，大脑的智慧很大程度上来自于知识的运用，而不是数据。因此第三代AI的发展方向，应该是将知识驱动与数据驱动结合起来，这也是向大脑学习的必然结果。＂这个问题解决了，我们就既可解决连接主义的可解释性和鲁棒性问题，又可解决符号的根基问题。＂张钹称。
　　张钹介绍，＂探索大脑＂就是要建立大脑功能与结构之间的关系，以及研究当有脑疾病时，这种关系所发生的变化。与＂探索大脑＂密切相关的研究工作分成以下几个方面，＂保护大脑＂（Protecting the brain）、＂利用大脑＂（Exploiting theBrain）和＂学习大脑＂（Learning from the brain）等。这些领域相辅相成，共同推动脑科学的发展。
　　人工智能和脑机接口两者结合，是未来的重要发展方向。高上凯介绍，如脑机接口需要利用AI技术来解读大脑里的信号数据，AI则需要利用脑机接口能与大脑关联的特点来模拟人类的智能行为。
　　脑机接口 （brain-computer interface，BCI），又称＂大脑端口＂＂脑机融合感知＂，是在人或动物脑与外部设备间建立的直接连接通路，将为人类大脑功能的修复和拓展奠定基础。
　　＂脑机接口要跟AI技术结合起来，脑机接口系统里面人的成分可弥补人工智能的缺乏，而人工智能的计算分析能力可助力脑机接口的信息分析。如在目标识别中，识别可以让人去看，但是分析要靠人工智能。＂高上凯称。
　　高上凯指出，实际上，脑机接口是把人的智能和人工智能放到一个平台上来研究，这两者其实是互补的。＂如果能找到一个合适的方法，充分发挥人的智能和人工智能优势，一定会有突飞猛进的进步。＂
　　谈到安全性问题，姜汉钧表示主要应考虑两点。一是算法的安全性， 人工智能算法本身是不安全的，因为计算机与人类感知完全不同，所以现在提出人工智能治理，就是出于算法安全性的考虑。二是应用的安全性， 人工智能应用以后，涉及到数据的隐私、知识产权等问题，因此使用人工智能要更小心。
　　其实，安全性问题的解决最终还是要靠脑科学的研究。姜汉钧指出，＂因为所有的不安全问题，都源于目前很多做法跟脑的做法完全不是一码事。＂
　　脑科学技术的切实应用
　　在医学领域，脑机接口能治疗神经精神系统疾病。 高上凯指出，目前很多神经精神系统疾病既没有合适的药，也不适应手术，而脑机接口能调节大脑的状态，应用于神经康复领域。如中风的病人偏瘫以后，戴上脑机接口的系统，利用大脑的可塑性调节可产生另外的控制思路，使患者主动想象运动。
　　而除了医学领域外，现在脑机接口的应用还扩展到其他领域，如睡眠监测 。脑陆科技联合创始人兼CMO吴寒峰指出，中国睡眠障碍人群可能有3000万，去年已有1500—1600万人走入了医疗场景求医问诊。
　　脑陆研究院卢树强向21新健康介绍，在脑机接口监测睡眠过程中，脑机接口设备获取大脑信号，并基于人工智能算法作睡眠的临床分析和分类，还可以检测特定的睡眠节点。其基于实时计算过程，做实时交互，交互范式主要是针对每个人当前睡眠状态和大脑神经元能量的分布特点，匹配和推荐不同神经调控的节律，如特定频段的粉噪音或者白噪音，这样干预方式才能有效。
　　脑机接口可以分为侵入式和非侵入式。上海交通大学智能交互与认知工程上海高校重点实验室主任吕宝粮向21新健康指出，侵入式可解决帕金森，难治性抑郁症，精神厌食症等神经疾病，也可用于干预毒品戒毒、赌博等， 其在医学上的应用非常成功。非侵入产品则更多应用于大众。
　　卢树强介绍，从技术发展角度看，非侵入式需不断靠近侵入式采集的信号极限，同时应在整个过程中配合、协同侵入式做信号监测。＂未来，非侵入式的设备具备侵入式的功能，甚至实现基于非侵入式脑机设备对于帕金森的干预和治疗，在理论和技术路线上也是可行的。＂
　　未来的趋势是侵入式和穿戴式结合起来。＂做完手术后需要监控，监控基本上是使用可穿戴设备。＂吕宝粮称。
　　在清华大学航天航空学院院长、神经调控技术国家工程实验室主任李路明看来，侵入和非侵入只是方法问题，更重要的是通过技术进步，解决大众的问题。
　　实际上，研究脑机接口的动因，源于渐冻人患者，他们唯一能正常输出的通道只有大脑。 ＂渐冻人神经元系统的疾病使得浑身都不会动，手不能动，脚不能动，连眨眼都不会，因为眨眼还得有眼球肌肉的运动。而唯一能够输出的通道就是大脑，因为大脑是好的。这是当时做脑机接口很大的动因。＂高上凯称。
　　脑机接口一个必不可少的组成部分，是＂芯片＂，芯片面积越小，越容易深入大脑内部。而芯片一个重要特点是定制，姜汉钧表示，＂实际上，集成电路行业发展特点是通用化。但是脑机接口这种新的应用，提出了与通用化相反的要求，即定制化。脑机接口等新型应用也在重塑芯片发展的趋势，或者说后摩尔时代集成电路发展的趋势，这意味着行业有很多发展机会。＂
　　实际上，芯片最大的好处只是降低功耗。所谓智能芯片，只是把固定的算法弄到芯片里，并不是人工智能的通用芯片。＂整体来讲，芯片的发展还是要靠应用去牵引，只要有需求，芯片设计大体都能跟上。＂姜汉钧称。
　　提到＂脑机接口＂，就不得不提＂脑起搏器＂ 。作为脑机接口技术在医疗场景的实际应用，脑起搏器是什么？李路明介绍，这是人类目前为止唯一一个可以直接进入大脑、调控大脑的人工器械，其可以引领大脑、干预很多脑活动。现有技术是把两根1.2毫米的电极植到大脑深部，用刺激器传导信号以调控大脑。
　　据了解，脑起搏器不仅具有刺激大脑神经细胞的功能，有些还具有＂脑机接口＂的功能，能在人脑与外部设备之间建立无线连接通路，通过无线传输的方式采集人脑深部的电信号数据，进行进一步的分析和研究，有利于深入研究运动障碍致病的电生理机制，调整刺激参数，真正实现个体化精准治疗。
　　脑起搏器产品发展迅速，目前已发展到第二代。李路明介绍，第二代脑起搏器较第一代产品有两个创新，一是从原先的单一频调控变为变频调控，可用于治疗难治性肌张力患者，使患者改善生活质量；第二个创新点在于远程调控，在患者植入脑起搏器后，可通过远程调控改变刺激器参数，大大节省医疗费用和时间。
　　＂此外，我们的脑起搏器主要指标不输国外。脑起搏器已经完成了13000多个名患者的植入，最长的时间是11年零6个月，且主要指标超过了进口产品。我们从2016年开始已经走出国门，在巴基斯坦、孟加拉、印度和英国实现了临床应用。＂李路明称。