探索“终极疆域”：脑机接口如何打开数字孪生之门？

本文转自：中国新闻网

中新网成都10月21日电 (单鹏 程兆)当前，脑机接口已成为全球科技前沿热点。正在成都举行的第81届世界科幻大会，也将目光投向了这一科幻与科技迭代互进的领域。近日，在本届世界科幻大会主场馆举办的一场论坛，就围绕脑机接口和数字孪生展开了一场“头脑风暴”。

脑是典型的复杂信息处理系统。对脑的解密是人类自然科学的“终极疆域”，其衍生技术可引领神经科学、医学、新型智能理论以及未来计算等多个领域。脑机接口概念在20世纪70年代就被提出，是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。数字孪生则是基于计算机技术构建一个数字孪生脑。

相关研究者认为，脑机接口技术是通向数字孪生的“钥匙”。大脑由神经元搭建起来，是一个有很多脑区或神经元层次交互的系统，利用数学公式将大脑结构解析，刻画出大脑内部的交互，通过计算机开展大规模的数值计算，能够形成一个小到神经元突触的某个层次、大到跨脑区环路甚至全脑的数字孪生模型。

“脑机接口好比一扇窗口，打开这扇窗户，我们就能窥探大脑如何活动。”电子科技大学生命科学与技术学院教授徐鹏表示，为研究大脑功能解码，他开展了一项实验：实验者戴上一个紧贴头皮的帽子，帽子上密布的电极对脑电信号进行采集，计算机运用算法对采集到的脑电信号进行解码、读取实验者的心情，得出“高兴”“正常”“悲伤”三种结论。再通过神经反馈或物理刺激调控，帮助实验者调整情绪状态。

“脑机接口研究还在早期，还面临几个挑战，比如是否有简单有效的方式采集大脑信号，如何对信号解码。大脑和计算机的交互机制也有待探索。”徐鹏说，这项研究的长远价值在于探索大脑的运转机理，推动人类设计出更加高效的神经网络技术，实际意义在于揭示脑卒中以及自闭症、抑郁症等精神疾病的发病机理，为患者提供个性化诊疗方案。

脑机接口关注的是大脑与计算机的交互，而数字孪生关注的是计算机对实体世界的数字化建模和仿真。“能不能从结构和功能上构建一个与真实大脑相似的生物模型，并再现一些自发的脑活动与脑功能？实际上是可以的。”电子科技大学生命科学与技术学院教授郭大庆表示，目前学界从神经系统或者脑动力学着手，已能部分实现大脑的数字孪生。但该项研究还处于初步阶段，从微介观水平构建全脑系统仍任重道远，其难点在于脑系统的复杂性以及对算力的巨大需求。

郭大庆分析说，有了数字孪生，就可以探索不同脑区之间的大尺度计算，了解并掌握大脑内部的整合规则和基本原理，利用生物脉冲神经网络构建相关智能模型。郭大庆团队正在开展大尺度脑活动动力学建模和机器学习探索，该模型有助于解析脑功能和脑疾病，发展类脑算法。

从现有研究看，现阶段数字孪生最接近应用的领域是对脑疾病的调控。而对于未来研究趋势，郭大庆认为，半侵入式或者面向大脑动态调控的新型无创脑机接口将是新一代脑机接口主要发力的方向。在数字孪生领域，后续研究或将关注大脑中重要的角质细胞、血管系统等，研究其与脑神经的交互，“如果把这些考虑进来，有一天也许能真正孪生出一个人脑。”