从鼠到猪再到人，脑机接口正在打开人类脑洞

　　电影《黑客帝国》中，主人公尼奥通过脑机接口与矩阵系统相连，在虚拟世界自由穿梭。2020年9月，埃隆·马斯克将这一科幻想象搬到了现实之中——他创办的脑机接口企业Neuralink（神经链接）公司，将一枚看起来像硬币的微型脑机接口设备，植入小猪的大脑内部，并根据采集到的信号，成功预测了小猪的行进路线。

　　一只可爱的小老鼠，颅内植入了一片神经元几乎感受不到的超薄、超柔、高通量神经信号采集芯片。当小鼠运动、进食时，与神经信号处理接口电路直接相连的电脑将实时反映其脑电信号的变化情况。这一被称为中国的Neuralink，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。

　　这款脑机接口的电极创新性地使用了丝蛋白这一中国古老材料，使得它在植入创伤、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——不仅植入时创伤小，而且植入后对人体更安全。鉴于安全性已经得到验证，今年这项技术有望展开人体临床试验。

　　从小鼠到猪再到人类，脑机接口正在打开人类的脑洞。科学家们致力于探究近千亿的神经元到底是如何开展有条不紊的工作，让人类能够感知、思考、言语……更进一步，脑机接口是否可以应用于临床疾病的治疗？是否能够实现人与外界的“心灵感应”？能否将记忆通过芯片上传到“云端”，从而实现“永生”？所有这一切，似乎让人朝着“智神”又迈出了一大步……

　　张旭，中国科学院院士，上海脑科学和类脑研究领域的领军人物，一直致力于神经科学、脑疾病以及类脑智能领域的研究。2021年4月，张旭院士接受《新民周刊》独家访谈，我们的话题也是从脑机接口这一最前沿的科学技术开始的。

构建“上海智脑”

　　1980年考入中国人民解放军第四军医大学，1994年获得瑞典卡罗琳斯卡医学院博士学位后，张旭回国从事神经领域的研究工作。2014年，中科院上海分院牵头发起了上海脑-智工程，张旭成为项目负责人。

　　当前，对大脑的研究已经成为现代科学最重要的课题之一，也是人类理解自然界现象和人类本身的终极疆域。这个1.36千克重的器官由近千亿的神经元组成，但其功能机理至今还是个谜。与此同时，脑疾病如阿尔茨海默症、抑郁症等越来越成为人类健康重大威胁。据世界卫生组织数据，全球脑疾病所带来的社会经济负担占所有疾病的19%，已经超过心血管病的11%和癌症7%，脑科学的发展对脑疾病的诊断治疗将有关键性的贡献。世界各国纷纷积极探索大脑的奥秘，中国也展开了相关的脑科学研究计划。

　　在张旭看来，脑科学既是科学上的皇冠，又对社会发展起到重要的推动作用，“把脑科学的研究结果和人工智能相结合，上海做得最早，它体现了理论研究到应用领域的实现。从本质上讲，脑科学有很多基础研究内容，包括神经网络跟行为的关系，与心理的关系，还包括受脑启发的人工智能，这在科学上是非常有趣的一件事”。

　　张旭说：“研究大脑与人工智能的结合点是我们的出发点，也是关键点，听起来似乎有点空，但现在看来是有结果的，整个研究在向应用的方向上发展。实际上现在脑科学已经能够渗透到其他行业，进行更广阔、更有深度、更有前景的交叉融合，这在以前是没有的。”

　　2017年9月，张江实验室揭牌，重点攻关生命科学和信息技术两大领域，而类脑智能研究是两者间的桥梁。实验室内部建立了共享机制，各研究机构的科研人员能够共享实验设备，尤其是大科学装置。让张旭非常兴奋的就是脑与智能科技研究院汇集了越来越多科学家和企业家的加入——生命科学、材料科学、医学工程、微电子，寒武纪、科大讯飞、联影、华山医院……这些基础研究的科学家和计算机信息技术专家联手开启类脑智能研究前沿和高科技产业的大门。

　　2020年9月，由张旭牵头的中国人脑图谱研究科创平台正式成立。这个项目将建设一个世界级、标准化的人脑图谱数据服务平台，形成一套应用于脑科学研究和医疗服务的标准化脑图谱分析流程，构建国内首个脑图谱成像和信息融合技术规范及数据格式标准化体系。

　　在张旭看来，人工智能中的神经网络理论其实和神经科学的一些工作原理和逻辑类似。从某种程度上讲，脑科学是人工智能的鼻祖。如果我们能够对脑连接有更多的认识和了解，必将对未来的医疗领域产生重大影响。而上海正在积极推动脑机接口从基础研究走向临床应用。

　　2020年10月，陈天桥雒芊芊研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute，TCCI）的第一个脑科学前沿实验室，在大型脑医学中心华山医院虹桥院区落成投入使用。目前已经实现了在老鼠的颅内植入超薄、超柔、高通量神经信号采集芯片，当小鼠运动、进食时，与神经信号处理接口电路直接相连的电脑将实时反映其脑电信号的变化情况。这项研究有望用于对脑瘫患者进行治疗。

　　2020年12月，瑞金医院脑机接口及神经调控中心正式宣布成立，他们通过在人脑中植入一个所谓的“脑起搏器”（脑深部电刺激，DBS）设备，DBS电极植入人脑后，通过电极的触点向脑内靶点发送全向电脉冲进行刺激，从而达到改善帕金森病患者运动症状的效果。基于这项技术已经在部分神经疾病领域获得了成熟的应用，瑞金医院将“难治性抑郁症”作为了临床研究方向。

　　目前，张旭正全力以赴与各界一起推进上海脑-智工程。张旭表示，上海脑-智工程包括了动物和人大脑的研究，涉及智能传感器设计、集成电路设计、智能芯片设计等等技术，还包括联影的脑影像技术（高性能科研级磁共振等）、人脑解析的技术。

　　绘制人脑图谱如同描绘一幅探索大脑的“地图”，是开展脑科学研究的基础。它可以帮助科学家更好地认识大脑的结构、功能区分区、分区链接、工作机制等，从而进一步了解脑发育和衰退的规律，解析脑部疾病。

脱颖而出的“联影”

　　先进的现代化的医学影像设备，是绘制脑图谱以及开展脑科学研究的关键工具。张旭说：“绘制脑图谱，开展脑科学研究，对影像设备性能要求极高。比如我们很多脑研究会追根溯源到一个神经元，目前临床上对神经元的分辨率要求是微米级。但在脑研究中，我们希望到亚微米级，甚至以后希望可以逐渐提升到分子层面。”

　　这就不得不提到分子影像界的话题王——联影。

　　“在成像技术、软件应用上，联影提供了强有力的技术支持。尤其联影3.0T探索磁共振所提供的脑影像数据，可支持脑解剖连接模式和脑功能研究、脑疾病研究，帮助进一步完善有明确生物学意义的脑图谱及适用性的验证方法体系，助力脑科学研究从源头上进行创新。”张旭院士说。

　　联影推出了世界首创的既可用于科学研究、也可用于临床医疗的5.0T超高场MR，具备世界领先水平的高性能3.0T MR和全球技术最先进的一体化PET/MR，及高级脑功能研究应用及后处理软件系统。这套硬件+软件系统不仅可以提供更加清晰的结构细节图，还能实现快速同步成像，让人类第一次能以肉眼清晰观测药物注射后在人体血管内流动、扩散到被代谢的全过程，为传统针对大脑为主的神经科学研究扩展至全身和动态提供新的可能。此外，联影uAI大数据智能平台采用创新的数据分析模型进行多模态影像数据的在线处理。基于先进的智能算法，让图像数据计算更快，结果更准确。

　　更让人意想不到的是，依靠平常深厚的技术积淀，联影仅仅花了一周时间就将三台高端CT机送入武汉火神山医院，并创下了一个前所未有的纪录：第一次医院尚未封顶，大型高端医疗设备就已进驻。此外，联影的uAI新冠肺炎智能辅助分析系统也纷纷部署进了武汉各大医院，将战疫初期5-10分钟的CT阅片缩短为1分钟，大部分影像报告的撰写工作也都转交给了AI这位不知疲倦的助手。

　　其实，早在疫情暴发之前的2019年，张旭就与联影的张强博士、复旦大学附属华山医院院长毛颖教授等行业专家、学者及各自研究团队联合在Nature出版的展望专刊《大脑》上，发表了文章《脑智科技研究发展：上海及长三角之窗》，深度阐述了先进医学影像成像设备与影像技术如何应用于创新型前沿脑科学和类脑研究，从而推动脑图谱建设。

　　张旭感慨，由于国家长期的战略储备、技术储备，使我们能够在非常短的时间内形成诊断、治疗的一个快速反应，这是非常了不起的一件事情。一个国家的科技力量能够用起来，在整个“战疫”中间能够起到一个突击队的作用，能够迅速地对病毒进行诊断，实施对人员的保护，所有的技术一整套的上马，这个是全世界罕见的。

　　“今天大家已经熟知的联影，还有寒武纪科技、科大讯飞等等，都是我们上海脑-智工程的创始成员，我们跟企业有联合实验室。这些促进了科学家、技术专家、企业家之间的磨合和系统的建立，这就是能力的体现。谁能在一周内搞一台机器出来，而且是那么管用，而且那么先进！”

　　张旭说，这些“超级大脑”的目标，并不只是要在各自领域里面取得突破，而是要在彼此之间的交叉融合中产生新的技术，新的研究方向以及新的应用领域。“各个领域的科学家、企业家们说干就干，他们像网络上的神经元一样，彼此有着各种各样的连接，而不像以往，各自在自己的领域里，互相不认识。我们研究院就故意限制规模，不能走大而全的老路子，而必须是整合相关领域内的专家，让科学家、技术专家、企业家平常有更多的互动，这种创新体制产生出来的化学反应，太让人惊奇了。”

　　张旭说，上海人工智能搞了那么多年，积累是有的，所以在这种紧急需求下，就能看到力量。就像百货商店里的货架上面，摆满了各种各样的技术储备。需要的时候，可以立即从不同的货架上取下需要的技术进行组合。从单一的图像分析技术到整合出来一台机器，上了一线，现在还出口到了东南亚、美国和欧洲，形成供不应求的态势，这就是上海的好处。也许并没有搞得那么轰轰烈烈，但是大家都在工作，而且人与人之间、企业与企业之间、科学家之间的互动很强。

　　很多年前，张旭曾经在一次采访时“口出狂言”——一个国家如果科学家不能成为亿万富翁，那么说明这个国家的科技是没有竞争力的。如今，一批批登陆科创板的科学家们正在将张旭的预言变成现实。张旭很自豪，上海脑-智工程的一些初创企业正在蓬勃发展，蕴含着巨大的能量，累积估值超过数千亿元。在张旭看来，对于任何一个新兴产业而言，基础研究恰恰是能够带来颠覆性创新、产生引领行业发展的核心技术的源泉。

寄语青年：Nothing to lose！

　　“Nothing to lose！”（不会再失去什么！）采访当中，张旭多次说到这句话。想当年自己拎个皮箱就来闯荡上海，而上海也以海纳百川的包容精神接纳了来自五湖四海的创业者。“只要你敢闯，就一定能够把‘草鞋’变成自己挣来的‘皮鞋’穿上。上海作为全国神经科学基础科研重镇，又在集成电路、生物医药产业、信息科技等方面积累深厚，土壤养分充沛，非常适合科技人才的萌发与成长。很有意思，我们上海脑-智工程的人，基本上都是新上海人。现在来上海创业，完全可以享受‘科技拎包入驻’的贴心服务，早期投入并不需要太多。”

　　回到张旭的研究方向上，他的基础研究和“痛”有关。

　　神经系统疾病可以分为两大类，一类是神经元兴奋性异常导致的疾病，例如慢性痛、癫痫和抑郁等疾病；另一类是神经元死亡导致的疾病，例如阿尔茨海默综合征和帕金森综合征、糖尿病视网膜病变等疾病。其中，慢性痛是发病率最高的疾病，也是导致社会经济损失最高的疾病之一。

　　张旭和疼痛研究打交道已经超过了35年。而专注于对“痛”的研究，源于张旭在四军大第二附属医院当实习医生时。张旭对一位病人印象深刻，肿瘤侵入病人的神经，根本无法通过手术治疗。而钻心的难受让病人在病床上虚弱地呻吟，注射止疼药吗啡都无法缓解他的痛苦。医疗手段终究没能挽回病人的生命，“当时只有一个念头，就是把人感觉到疼痛的机理找出来，从根本入手，因症制药，减轻痛苦”。

　　张旭说，脑组织主要包括神经元和胶质细胞。感觉神经元有感受刺激的功能，肢体感觉到冷、热、痛、痒，其信息都是经过感觉神经元及其神经环路传递至大脑皮层。在神经元中，离子通道参与调控神经元兴奋性，基于离子通道机制开发原研新药，具有替代阿片类药物的巨大潜力。跟着张旭做了12年相关研究，学生李帅最终决定离开稳定的科研院所，转而走上一条未知的、充满风险的创业之路——创办赛默罗生物医药公司，开发相关药品。

　　张旭非常支持自己的学生探索不同的人生可能性。“有的导师希望自己的学生跟着自己走下去，我则喜欢从思路上、思维上对他们进行指导。科学本来就是很有趣的。我非常乐于见到他们进行不同的尝试，我也会从他们身上学到许多新的知识，从师生关系变成朋友关系。”

　　谈及李帅创办的赛默罗，张旭指出，目前，离子通道和神经炎症两大机制面临的挑战共性是转化研究。通常，转化研究需要完成细胞层面、动物组织层面、动物行为和功能的完整的研究，并且需要病人组织的病理学数据和相关临床病人数据的支持。只有当所有数据完美契合，形成完整的理论体系后，才能推进一个药物进入临床研究，这样的研究虽然非常耗时，然而产品的成功往往会对相关疾病领域产生革命性的变革。

　　“李帅就在试图整合科研机构、医院、药厂和地方政府多方力量去共同完成基础科研成果的转化，让科研成果转化为市场需求的产品，实现从0到1的质变，建立一个行业范例。目前，成立7年的赛默罗开发的新药在安全性和疗效上都具备优势。”

　　对于一些博士去从事中小学教育工作引发大材小用的热议，张旭指出，只有最优秀的人才投入教育行业，才可能有最好的教育，才能培养出更优秀的人才。这绝对不是一种浪费。尤其是基础教育阶段，老师影响孩子的一生。博士未必会教书，但他的专业知识一定过硬，学习能力一定够强，科学思维足够严谨，他们的眼界和经历就足以给孩子们好好上一课了。用高素质的教师去培养下一代是相当有必要的，能力素养高的人遍布社会的各个层面，这样我们的社会才会不一样。“博士老师不是太多了，而是太少了！”

　　张旭指出，年轻人无论从事什么职业，一定要保持好奇心。除了在专业上要秉持严谨的治学态度之外，更需要交不同行业的朋友。“三教九流的朋友都应该去交一些，从他们身上学到教科书上所没有的东西。这是最快速的学习方法。”

　　有感于Z世代的年轻人普遍比较宅，张旭鼓励年轻人一定要有点四海为家的冒险精神。整天对着手机、电脑，会让人的视野和思维受到限制。“其实人生最大的幸福就在不断的探索之中。不断创新，不断寻找机会，不断实现自己的目标，这种科学家精神一定要有。这么多年来，我拥多了好多不同领域的朋友，大家都很开心，做事情仍然很疯狂，我就觉得很有意思。我们这个行业，很多都是开创性的领域，并不是看得见摸得着的。未知恰恰是最有魅力的事情。而年轻人最大的资本就是可以去试错，考虑太多反而对自己是个很大的束缚。”

　　很多年前，张旭刚到上海的时候，喜欢去徐家汇一带的装裱店装裱自己中学时代的画作。一来二回和店主熟悉了，店主说张旭的画很好，能够卖不少钱，想帮他卖掉赚钱。张旭头摇得跟拨浪鼓似的，“不能卖，不能卖！我现在画不出来了”。

　　多年的科学思维训练，磨灭了张旭头脑中天马行空的艺术家思维。不知道这位和脑科学打了一辈子交道的科学家，能否在人生的下半场研究一下怎么让一颗大脑既严谨又浪漫？（记者 陈冰 本 栏目支持：上海市科学技术普及志愿者协会）