生物脑与人工智能融合

冯凡凡 王晶

人工智能如同一颗璀璨的新星，正以令人瞩目的速度冲向崭新的前沿。而在这辽阔无边的数字宇宙中，一个激动人心的领域——生物脑与人工智能的深度融合正在蓬勃发展。

从马斯克倡导的脑机接口技术开始，人工智能已不再仅仅停留在计算机内部的虚拟世界，它正在与人类大脑展开互动，展现出无限的可能性。例如，通过脑机接口，人们可以通过思维控制外部设备，帮助残疾人恢复日常生活功能。而电影《流浪地球2》中数字生命的概念更是引人注目：人类在自身之外竟然还可以拥有一个自己的数字生命，在生物脑之外竟然可以拥有一个数字孪生大脑。在这个宏大的科幻世界里，人工智能不再是简单的机器，而是拥有情感、思考能力和自我意识的数字生命体。这种想象力激发了我们对于人工智能的无限遐想，让我们思考到底什么是生命，以及科技能否创造出具有生命力的存在。

脑机接口技术

脑机接口最早是由美国科学家维达尔（J. Vidal）于1973年提出的概念，其基本原理是通过放置在头部的电极来捕捉和解析大脑产生的脑电信号。随后，这些信号经过数字化和解码处理，转换成计算机或其他设备可以理解的命令信号，从而实现与计算机及其他设备的交互[1]。

随着技术的发展，脑机接口技术不仅仅是大脑发出脑电信号后，与计算机及其他设备互动（脑控），还可以是设备产生的电信号对大脑产生作用，继而达到某种效应（控脑）。

在“脑控”方面，脑机接口的应用非常广泛，从简单的游戏控制，到复杂的假肢操作，该技术甚至可以帮助失去语言功能的患者通过思考来“说话”。例如，残疾人可以通过脑机接口来控制轮椅或者假肢，继而重新获得移动或者抓取物体的能力，这对于提高患者的生活质量来说是一项重大的突破。

在“控脑”方面，脑机接口技术通过设备产生的电信号刺激大脑的特定区域，可以改变大脑的神经活动，从而治疗各种神经系统疾病，例如帕金森病、癫痫、抑郁症等。其中，深部脑刺激（deep brain stimulation， DBS）是一种目前已经应用于临床的帕金森病治疗方法。其利用立体定向的技术准确定位，在患者脑内特定区域，如丘脑下核、苍白球内核、丘脑等植入电极，连续不断地传送刺激脉冲到深部脑组织的特定区域以达到治疗的目的[2]。

根据连接方式的不同，脑机接口可以分为植入式和非植入式，其主要区别在于接口设备是否需要直接植入用户的大脑内部。

植入式脑机接口通过手术将电极或传感器等设备直接植入大脑中，从而获取大脑的电信号或神经元活动等信息，因此能够接收到更强、更清晰的神经信号，实现更精确的外部设备控制。这种连接方式可以提供更高质量和更丰富的信息，但需要对人体进行手术，存在一定的风险和伦理问题[3]。

非植入式脑机接口则是通过外部设备，如脑电波仪、磁共振成像等，来获取大脑的电信号或神经活动等信息。这种连接方式不需要进行手术，对人体的伤害较小，但获取的信息数量较少，质量也相对较低。

植入式脑机接口在医疗保健、康复治疗等方面具有广泛的应用前景，而非植入式脑机接口则广泛应用于游戏、娱乐、教育等领域。因此，根据不同的应用场景和需求，可以选择不同的脑机接口类型。而脑机接口技术的持续发展，也必将会不断加速生物脑与计算机人工智能之间的融合，实现大脑的数字化、生命的数字化[4]。

数字孪生大脑

数字孪生大脑是指通过大量的神经影像学和神经生物学数据，结合人工智能技术，使用数字技术来模拟或模仿生物脑功能，形成的类脑人工智能系统。

创建数字孪生大脑的第一步是收集大量的神经影像学和神经生物学数据，包括脑部结构的磁共振图像、脑电波活动的脑电图记录、神经元之间的连接关系（连接组）等。这些数据可以帮助研究者了解大脑的结构和功能，为下一步的模型构建提供基础。然后，研究者使用人工智能技术来分析这些数据，例如使用深度学习和机器学习算法来识别大脑中的模式和关系，确定哪些脑区负责处理视觉信息，哪些脑区负责记忆等。最后，使用数学和计算模型来模拟大脑的工作，包括模拟神经元的电活动、神经元之间的信号传递，以及整个脑网络的工作等，最终在计算机上创建一个虚拟的“大脑”。

数字孪生大脑就像人类大脑的备份或克隆体，科学家可以用它来整合各类生物脑的研究结果，进而有望揭示脑机理、启发类脑智能、治疗所有和脑有关的疾病，并通过深入解析人脑工作的模式，研究人工智能算法、数据和模型，为人工智能发展的革命性突破提供基础。

在数字孪生大脑中，每个“节点”代表一个脑细胞，而“连接”则表示脑细胞之间的突触连接活动。研究人员可以通过调节节点和连接的权重，模拟不同状态下的人脑活动。同时，数字孪生大脑还可以和脑机接口设备连接，实现大脑状态的实时监测和数字孪生大脑的模型优化。通过不断迭代，数字孪生大脑的结构和功能可以逐步逼近人脑，为揭示人脑奥秘、开发类脑计算模型提供强有力的技术支撑。

复旦大学类脑智能科学与技术研究院冯建峰团队用时三年多搭建了数字孪生脑平台，在上万个GPU的算力加持之下，实现了人脑860亿神经元的模拟再现。该项成果以冯建峰院长的大脑为模拟体，因此命名为“冯脑”。根据对大脑不同部位神经元功能的研究，目前其模拟出的数字孪生大脑与原脑相似度高达90%。通过对比生物脑和数字脑之间决策模式的差异，还可以对类脑人工智能发展提供更多有力的支持。此外，借助在数字孪生脑上进行实验，研究者可以大大突破人体生物脑临床实验的限制，助力科技的跨越式发展[5]。

数字生命的延续与哲学思考

数字孪生大脑的出现，说明拥有思维意识的人类最复杂的器官已经实现了数字化，也表明整个生命数字化也许离人类并不遥远。在电影《流浪地球2》中，图恒宇女儿的意识得以以类脑芯片的形式被储存，通过人工神经网络不断进化和成长，这场景生动地描绘出了数字生命的“生机盎然”。

数字生命指将生物个体的生理活动、认知过程以数字化形式记录和模拟，实现“个体数字孪生”。其核心是收集个体多层次数字化生物数据，包括基因组数据，即通过基因测序技术获得个体基因组DNA序列信息；生理数据，即使用可穿戴设备获取的个体生理参数，如心跳、血压、脑电图等多项生理信号数据；行为数据，即记录个体的日常行为和互动信息；认知数据，即个体的学习、记忆、思考等认知过程数据，以及语言、文化、价值观等认知特征数据；环境数据，即个体的生活环境、工作场所、社交网络等环境因素数据。

通过深度学习和多模态算法，将这些海量异构数据有机整合，建立数字化的个体，实现对个体生理状态、认知能力，乃至情感的预测和模拟。该虚拟个体在数字空间中拥有独立意识和行为，可以与人交流和互动。

数字生命可打通物理空间和数字空间，实现生命形态的延续，我们或将迈向一种更长久和数字化的生命方式。这将是一场技术和哲学的思辨，如同笛卡尔的“我思故我在”，数字生命将进一步引发人们对生命和存在的深刻思考。

赋能医疗突破：脑机接口结合数字孪生大脑

随着脑机接口及数字孪生大脑技术的不断突破及发展，未来或将为人类，特别是与脑相关的重大疾病研究带来福音。

目前，随着人口老龄化的加剧，老年性痴呆的发病率逐年上升，给社会和家庭带来了巨大的负担。研究发现，通过刺激生物脑中与认知功能和情绪调节密切相关的特定区域，可以改善老年性痴呆的症状，如改善记忆、认知和情绪。因此，在模拟出老年性痴呆患者的数字脑之后，可对其不同区域进行不同强度和不同频率的模拟刺激，获得数字脑的模拟反馈，指导生物脑的病理治疗。例如，在获得准确的数字脑反馈信息之后，可通过脑机接口技术，如穿戴式磁疗仪，对脑的特定区域进行理疗与刺激，达到干预治疗的效果。

数字孪生大脑不仅可以准确地反映患者的大脑活动情况，还可以预测疾病的进展趋势。通过分析数字孪生大脑的数据，医生可以及时发现疾病的恶化情况，并采取相应的治疗措施。此外，在生物脑中的研究发现，一些老年性痴呆患者的大脑神经元网络连接出现异常，这可能是导致其认知功能下降的原因之一。通过数字大脑模型来模拟人类生物大脑的神经元网络和信号传递过程，可以获得其病理表现，明确老年性痴呆相关的神经生物学机制，有助于防治老年性痴呆。

脑机接口技术和数字孪生大脑相辅相成，将在未来的疾病治疗中发挥重要的作用，进一步推动神经科学和人工智能技术的发展，为未来的医疗健康领域带来巨大的机遇和挑战[6]。

展望数字生命的未来

数字生命的崭新时代已经到来，通过将人工智能技术与生物数据结合，数字生命将为人类医疗等各个领域带来更多的可能性。

未来，在医疗领域，数字生命或将彻底改变人类对健康和疾病的理解。通过实时监测生物数据，数字生命系统可以迅速识别健康问题，甚至在症状出现之前做出预测。不仅如此，数字生命还将改变人类对疾病的治疗方式。基于个体的生物数据和遗传信息，医生将能够为每位患者量身定制治疗方案，最大限度地减少副作用并提高疗效。

同时，数字生命还将在科学研究领域发挥重要作用。研究人员可以利用大规模的生物数据来研究疾病发生的根本原因，并寻找新的治疗方法。这将加速新药物的开发和对疾病的理解，为医学领域带来巨大的进步。

当然，数字生命的发展也伴随着一些挑战。隐私和数据安全是其中一个重要的问题，因此在处理个人生物数据时，必须非常谨慎。此外，数字生命技术的发展还需要大量的投资和研究，以确保其有效性和可靠性。尽管挑戰重重，但我们相信，通过科技的力量，数字生命或将为人类健康和福祉贡献更多的希望和机遇。

[1]李静雯， 王秀梅. 脑机接口技术在医疗领域的应用. 电信网技术， 2021， 47（2）： 87-91.

[2]Orlandi S， House S C， Karlsson P， et al. Brain-computer interfaces for children with complex communication needs and limited mobility： A systematic review. Frontiers In Human Neuroscience. 2021，15： 643294.

[3]Zachary A.Brain-computer-interfaces in their ethical， social and cultural contexts.Computing Reviews.2015， 8： 479-480

[4]Wang F， Li G， Chen J， et al. Novel semi-dry electrodes for braincomputer interface applications. Journal of Neural Engineering. 2016， 13（4）： 046021.

[5]谢小华， 冯建峰. 上海市脑与类脑智能基础转化应用研究的现状及展望. 心理学通讯， 2019， 2（2）： 4.

[6]Simeral J D， Hosman T， Saab J，et al. Home use of a percutaneous wireless intracortical brain-computer interface by individuals with tetraplegia. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2021， PP（99）： 1.

关键词：脑机接口 数字孪生大脑 数字生命 ■