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脑科学这个商业前景被严重低估的领域,AI如何助力其产业化

2020-04-29 11:10
动脉网
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脑科学,被认为是人类科学最后的前沿。虽然大脑实体只栖居于人类不大的脑袋内,但是研究大脑并不比研究浩瀚的宇宙简单。

在很多人还仅仅把脑科学视为科研桂冠上难以企及的明珠时,已经有几十亿美金的资金流入脑科学研究领域,这些押注者不是别人,而是各国政府。

自2013年美国开启脑计划以来,美国、欧盟、日本、澳大利亚、韩国等国家和地区相继推出了各自的脑科学研究计划,脑科学与类脑研究已成为当前国际科技前沿的热点领域,被各国视为未来新的经济增长点和引领新科技的变革引擎。

但到目前为止,人类关于大脑的研究目前还相当粗浅。纽约大学医学院神经科学教授的捷尔吉·布萨基(Gyrgy Buzsáki)在新书《由内而外看大脑》中写道:“我们正不断取得进展,但问题依然非常棘手。”

面对脑科学研究,我们究竟处于黎明前的黑暗还是刚刚踏入永夜,一切还不得而知。但至少有一点是光明的, 目前用于大脑研究的技术正在模糊传统的学科边界,人工智能、云计算、大数据等计算机学正在与生物学结合探索大脑,这些新变量的加入或许能为我们带来新发现。

动脉网通过梳理发现,在脑科学领域,除了吸引了众多关注的阿兹海默症,在神经系统疾病中,癫痫是脑科学研究一个很好的模型,尤其是在难治性癫痫中,通过脑部深电极(SEEG)获得的“深脑信号”为脑科学研究提供了大量稀缺的脑部信号。显然,在脑电数据大规模产生的时代,依靠人工的数据处理方式已经无法应对,AI的介入带来了新的数据发掘方法。

其实这并不是AI通过癫痫研究脑科学领域的唯一切口, 在科研之外,AI+脑电在商业化和产业化方面,有哪些切入路径?存在多大的想象空间?动脉网进行了梳理。

国内脑电研究的一体两翼如何展开

脑科学发展现在的阶段,相当于物理学和化学在20世纪初期的处境,科学家们在很多细分领域取得突破,但是重大的理解和突破尚未出现。目前脑科学中最关键的问题,是人类对脑的各种功能和神经网络工作原理的认知非常粗略,只能大致理解人类脑区和功能的关系,但更多的细节并不清楚。

脑科学的大厦尚未建成,在落实大厦基座方面,我们需要更基础的脑科学理论。这也和我国脑计划的重点相符。2019年前后,经过长达五年多时间的酝酿,中国在科学界形成“一体两翼”脑计划研究方向的基础共识。

中国脑计划“一体两翼”关注“脑科学的基本问题;脑疾病的诊断治疗;脑启发的人工智能”。

“一体”即“认知脑”,关注和理解人类大脑的认知功能是怎么来的。核心是认知脑区结构和功能神经网络的实质,尝试阐明大脑如何工作。

正如中国脑计划的领军者和倡导者蒲慕明院士所描述的“我们看到计算机,要分析它的功能就必须知道计算机的结构,对于大脑的功能我们必须要知道大脑的网络结构,这就叫做‘全脑介观神经联接图谱’,也是我们这个大计划的关键部分”。

两翼,则指向“保护脑”和“创造脑”两大主攻方向。

其中,“保护脑”主要是更好地诊断和治疗各类重大脑疾病,包括阿尔茨海默症、癫痫、帕金森、抑郁症等疾病,在神经系统疾病这条赛道上,将有机会诞生千亿独角兽。

“创造脑”主要实现类脑人工智能的研究与开发,核心战略目标是开发仿脑计算机,将由两部分组成:一是发展脑型器件和结构;二是脑型信息产生和处理系统的设计和开发。

中国脑计划的巨大价值在于其在未来五到十年的持续实施,会全力推动人工智能与脑科学的深度融合发展,其研究成果,将会极大的促进类脑人工智能技术的发展,这一领域的研究突破,将引领新一轮的科技革命。

癫痫成为脑科学研究的先导领域

在一体两翼中,哪一领域研究较为迫切?答案无疑是对重大脑部疾病进行诊断和治疗。

据世界卫生组织的统计,包括阿尔茨海默、帕金森、癫痫、精神分裂、抑郁症在内的各种神经类和精神类疾病在内的脑相关疾病,是所有疾病里社会负担最大的疾病,占到28%以上,并已超过心血管、癌症,成为影响人类生存质量的首要疾病。

因此,重大脑疾病的诊断、治疗与干预,将成为各国脑计划中,最具现实意义与未来价值的先导领域。

众所周知,人类大脑蕴含近1000亿个神经元,大脑网络异常复杂,神经元数目众多,而每个神经元的放电模式、编码模式、信息处理方式均不一样。所以,要理解这个复杂的系统如何工作,首先需要能有对人类大脑活动数据持续记录的手段和工具。随着科学界对脑电的记录、提取、分析和研究,越来越多对于大脑的深度认知被陆续发现。

那么在众多脑部疾病里,哪类脑部疾病,对促进脑部认知和类脑智能研究最具潜力?

癫痫无疑是脑科学研究一个很好的模型。

与阿尔茨海默、帕金森等退行性功能神经疾病以及抑郁症等精神疾病不同,在众多脑部疾病当中,癫痫是一个跨种族、年龄与性别,贯穿个体全生命周期的脑部慢性疾病。

导致癫痫的病因多种多样,有先天基因缺陷,也有后天发育、脑部内外创伤等,但归结一个核心特征即颅内特定脑区(致痫区)出现神经元突发性异常放电,通过神经传导通路传导至全脑各个功能区,并最终导致短暂的大脑功能障碍和身体机能失能。

正是由于癫痫发作特性所形成的对特定脑区短暂的功能剥夺,使人类能透过癫痫发作,借助某些特定手段(如SEEG脑电极)有效记录癫痫发作期间,异常脑电在大脑神经网络中的传导路径,以及特定脑区功能丧失前后的特征对比,癫痫每一次的发作,无疑都对人类“认知大脑”提供了极其宝贵的“深空信息”。

如果人类对于大脑的研究被称为是自然科学中最后一块疆域,那么对癫痫的研究则是人类探索最后一片疆域的路标。此外,癫痫研究还具有深远的社会意义。

世界卫生组织的报告《癫痫:公共卫生的当务之急》中指出癫痫是世界最常见的慢性神经系统疾病之一,影响全世界各个年龄约5500万人,癫痫对国家、社会、医疗系统、病人家庭与病人来说都是长期而巨大的负担。

在发展中国家,由于人们对癫痫缺乏正确认识及医疗资源匮乏,大多数癫痫患者得不到合理有效的治疗,存在很大的“治疗缺口”。我国活动性癫痫患者的治疗缺口达到63%。据此估算我国大约有400万左右活动性癫痫患者没有得到合理的治疗。

尤其是手术治疗手段,我国有超过1000万癫痫患者,约占总人口的7‰左右。其中,约300万患者属于无法依靠药物治疗有效控制病情的难治性癫痫,这批患者需要借助更为前沿的外科手段来辅助治疗。

尽管抗癫痫药物的数量在过去20年里大幅增加,但约有三分之一的患者仍然对药物治疗产生抗药性。虽然外科手术的效果有所改善,一半以上的手术患者长期免于癫痫发作,但仍只有一小部分耐药患者接受了癫痫手术。

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