探索“終極疆域”：腦機接口如何打開數字孿生之門？

來源：中國新聞網時間：2023-10-23 11:25:55

(資料圖)

中新網成都10月21日電 (單鵬程兆)當前，腦機接口已成為全球科技前沿熱點。正在成都舉行的第81屆世界科幻大會，也將目光投向了這一科幻與科技迭代互進的領域。近日，在本屆世界科幻大會主場館舉辦的一場論壇，就圍繞腦機接口和數字孿生展開了一場“頭腦風暴”。

腦是典型的復雜信息處理系統(tǒng)。對腦的解密是人類自然科學的“終極疆域”，其衍生技術可引領神經科學、醫(yī)學、新型智能理論以及未來計算等多個領域。腦機接口概念在20世紀70年代就被提出，是指在人或動物大腦與外部設備之間創(chuàng)建的直接連接，實現腦與設備的信息交換。數字孿生則是基于計算機技術構建一個數字孿生腦。

相關研究者認為，腦機接口技術是通向數字孿生的“鑰匙”。大腦由神經元搭建起來，是一個有很多腦區(qū)或神經元層次交互的系統(tǒng)，利用數學公式將大腦結構解析，刻畫出大腦內部的交互，通過計算機開展大規(guī)模的數值計算，能夠形成一個小到神經元突觸的某個層次、大到跨腦區(qū)環(huán)路甚至全腦的數字孿生模型。

“腦機接口好比一扇窗口，打開這扇窗戶，我們就能窺探大腦如何活動。”電子科技大學生命科學與技術學院教授徐鵬表示，為研究大腦功能解碼，他開展了一項實驗：實驗者戴上一個緊貼頭皮的帽子，帽子上密布的電極對腦電信號進行采集，計算機運用算法對采集到的腦電信號進行解碼、讀取實驗者的心情，得出“高興”“正常”“悲傷”三種結論。再通過神經反饋或物理刺激調控，幫助實驗者調整情緒狀態(tài)。

“腦機接口研究還在早期，還面臨幾個挑戰(zhàn)，比如是否有簡單有效的方式采集大腦信號，如何對信號解碼。大腦和計算機的交互機制也有待探索。”徐鵬說，這項研究的長遠價值在于探索大腦的運轉機理，推動人類設計出更加高效的神經網絡技術，實際意義在于揭示腦卒中以及自閉癥、抑郁癥等精神疾病的發(fā)病機理，為患者提供個性化診療方案。

腦機接口關注的是大腦與計算機的交互，而數字孿生關注的是計算機對實體世界的數字化建模和仿真。“能不能從結構和功能上構建一個與真實大腦相似的生物模型，并再現一些自發(fā)的腦活動與腦功能?實際上是可以的。”電子科技大學生命科學與技術學院教授郭大慶表示，目前學界從神經系統(tǒng)或者腦動力學著手，已能部分實現大腦的數字孿生。但該項研究還處于初步階段，從微介觀水平構建全腦系統(tǒng)仍任重道遠，其難點在于腦系統(tǒng)的復雜性以及對算力的巨大需求。

郭大慶分析說，有了數字孿生，就可以探索不同腦區(qū)之間的大尺度計算，了解并掌握大腦內部的整合規(guī)則和基本原理，利用生物脈沖神經網絡構建相關智能模型。郭大慶團隊正在開展大尺度腦活動動力學建模和機器學習探索，該模型有助于解析腦功能和腦疾病，發(fā)展類腦算法。

從現有研究看，現階段數字孿生最接近應用的領域是對腦疾病的調控。而對于未來研究趨勢，郭大慶認為，半侵入式或者面向大腦動態(tài)調控的新型無創(chuàng)腦機接口將是新一代腦機接口主要發(fā)力的方向。在數字孿生領域，后續(xù)研究或將關注大腦中重要的角質細胞、血管系統(tǒng)等，研究其與腦神經的交互，“如果把這些考慮進來，有一天也許能真正孿生出一個人腦。”(完)

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標簽：腦電信號大腦信號鑰匙頭腦風暴實驗

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