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“人工智能+脑科学”将何去何从?

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【摘要】:
如果有一天有一种技术可以让聋哑人发声、帮残疾人重新站立、使小孩练就具有超强记忆力的大脑、让人人凭意念操纵万物……你会感兴趣吗?这一切不是遥远的未来,让人工智能+脑科学告诉你答案。

“人工智能+脑科学”将何去何从?

 正略咨询 正略咨询 9月9日

 

作者:正略咨询《企业战略的落地实施

和创新发展》研究课题组

组长:崔玉莲

副组长:崔熳秋、侯梦喜、刘宝友

指导专家:刘非、邓明时

组员:刘畅、周倩、季睿、仇德涛

张晨琳、肖遥、马荣龙、左鹏程

李绍拓、戴军东、郭姝玥

 

如果有一天有一种技术可以让聋哑人发声、帮残疾人重新站立、使小孩练就具有超强记忆力的大脑、让人人凭意念操纵万物……你会感兴趣吗?这一切不是遥远的未来,让人工智能+脑科学告诉你答案。



本文为“神经智能”领域专项研究报告下篇:行业研究报告,上篇为行业前沿专访:“脑科学”和“人工智能”能擦出火花?我们和一家很牛的黑科技公司认真聊了聊,点击了解更多。


人工智能+脑科学

 

 

近年来,脑与神经科学、认知科学的进展使得人们在脑区、神经微环路、神经元等不同尺度观测的各种认知任务中,获取脑组织的部分活动数据已成为可能,获知人脑信息处理过程不再仅凭猜测,通过多学科交叉和实验研究获得的人脑工作机制更具可靠性。因此,脑科学有望为机器学习、类脑计算的突破提供借鉴。

 

人工智能对神经科学发展的反哺或反馈作用也是客观存在的。在神经科学基础研究阶段,人工智能可以辅助研究人员解析复杂的脑神经信号、脑神经图谱实验数据,构建和模拟大脑模型系统等。在转化应用阶段,人工智能还能加速脑科学成果的应用,例如大脑疾病诊断与新疗法成果的临床转化等。

 

大脑的结构连接是静态的,功能连接和有效研究则具有时空动态演化的特性。在视觉和听觉神经网络的区域空间中,功能连接和有效连接是不一样的。有效连接是针对具体任务的,在同一个视觉功能连接空间中,当我们执行不同视觉任务时,它所形成的神经网络的有效连接是不一样的。有效连接描述了神经元之间的因果与相互影响关系。

 

从这种结构化的观点来看,我们构造的神经网络还没办法模拟同时具有结构连接、功能连接、有效连接的方式。我们可以通过获取某一区域的活跃程度,或活跃状态,辨别大脑正在执行什么样的视觉任务。知道它在执行什么样的视觉任务,我们就得到了它有效连接的状态,也可以求出它的有效连接在时空演化中的特性。如果能够求出其中的规律,我们就可以设计相应的人工智能方式去实现。也就是说,我们可以采用可触的、动态的、非线性的关系网络进行认知任务的输入。

 

01

研究方向

 

按照从“研究”到“应用”的顺序,可将脑科学及类脑人工智能的研究内容划分为四大部分:大脑神经网络分析、认知机制计算模拟、类脑智能算法创新和类脑智能技术应用创新。对大脑神经网络和认知机制的研究分别是对大脑开展“硬件”和“软件”层面的解析,而类脑智能算法和类脑智能技术应用的创新则分别是在“软件”和“硬件”层面的输出接口,能够直接催生新兴产业的发展。

 

02

发展现状

 

 “大脑的逆向工程”,即通过脑科学研究推动人工智能发展,已成为国际关注的热点。各国的脑计划也纷纷瞄准该技术高地。如美国的BRAIN Initiative计划、“阿波罗脑计划”,欧盟的“人类脑计划”、日本的大脑研究计划。中国也提出“一体两翼”的“脑计划”,即以研究脑认知的神经原理为“主体”,研发脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”,目标是在未来15年内,在脑科学、脑疾病早期诊断与干预、类脑智能器件三个前沿领域取得国际领先的成果。

 

为推动我国神经科学与类脑研究的发展,我国目前已经成立了大量的研究组织与机构。如北大脑科学研究中心、北京脑科学与类脑研究中心、上海脑科学与类脑研究中心、北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、北师大麦戈文脑科学研究中心、中科院神经科学研究所、中科院脑科学与智能技术卓越创新中心等,致力于通过团队合作和学科交叉融合,解决在脑科学和类脑智能技术两个前沿领域的重大问题。

 

随着人工智能与脑科学的交叉融合研究进展,多家公司生产出各样的脑电波产品,如著名的玩具巨头美泰生产的首个脑电波玩具MindFlex、日本厂家Neurowear生产的脑电波猫耳朵、美国神念科技NeuroSky公司推出的脑电波耳机MindWave、加拿大多伦多初创企业Interaxon生产的脑电波穿戴产品Muse、宏智力科技推出的意念力头箍BrainLink以及美国脑波产品厂商Emotiv针对专业游戏玩家打造的脑波产品Epoc等。

 

 

商业落地

 

 

01

医疗

 

脑疾病诊断

 

在我国,脑科学的一项重大应用就是为健康中国服务。维持大脑的正常功能,延缓大脑退化,这些都是健康生活所必需的。目前,中国65岁以上的老年人有1亿多,是世界上老龄人口最多的国家,甚至超过了印度,中国已基本进入老龄化社会。

 

据国际阿尔兹海默病协会(ADI)发布的报告,到2050年,全球患有阿尔兹海默病的人数将增加至1.315亿人。我国脑相关疾病导致的死亡人数占死亡总数的25%以上,根据全球疾病负担综合性指标预测,我国未来脑疾病负担可达到上万亿元/年,防治脑疾病、保护脑健康是社会重大需求,而脑科学的突破,将从根本上推动脑疾病防治的进步。

 

不仅是老年痴呆,其他疾病也会给社会带来沉重的负担。根据世界卫生组织的统计,包括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,占到了28%,超过了心血管疾病,也超过了癌症。因此,重大脑疾病的诊断和干预是未来脑科学领域一项非常重要的研究内容。

 

目前脑疾病治疗面临着诸多问题,包括脑疾病的致病机理不清楚,难找到脑功能异常的药物靶点、药物研发进度缓慢且失败率高、临床前药物检测所用动物实验模型不合适等难以解决的问题。

 

在致病机理完全清楚之前,必须研发出各种脑疾病的早期诊断指标。一旦有了诊断指标,就可以进行早期干预。比如说记忆开始衰退了,有哪些手段可以减缓或延迟衰退。这些干预手段可以是吃药,也可以是物理、心理或是生理干预。首先是阐释脑重大疾病,如幼年期自闭症和智障、中年期抑郁症和成瘾、老年期的退行性脑疾病的致病机理;其次是确立脑重大疾病预警、早期诊断各种指标,包括血液和脑脊液、分子影像和脑功能指标;然后是研发脑重大疾病早期干预、治疗与康复的新技术、新方法、新仪器的研发,包括药理、生理和物理技术;最后是建立非人灵长类动物(猕猴为主)脑重大疾病模型,用于脑疾病干预、治疗与康复新技术、方法、仪器的研发。

 

意识诊断

 

存在严重意识障碍的患者有三种不同障碍程度:第一种是植物人状态,人有基础生理机能,但没有想法、没有意识;第二种是微意识状态,会有点想法,但是想法很少;第三种是闭锁状态,人是有想法的,但是他跟外界完全没有交流。这三类病人的共同特点是:第一,大脑严重瘫痪;第二,与外界缺乏交流,没有交流的通道。

 

通常医生对患者的诊断是通过行为诊断,但意识障碍患者既没有行为又无法表达,造成医生的误诊率高达40%,自然诊疗效果不佳。未来脑机交互就可以去做这类病人的意识检测和辅助诊断。

 

辅助发声

 

美国一个科研团队开发出一种新系统,可解读人类倾听他人说话时产生的脑电波,并将其转化为声音,这一进展为失去说话能力的人将来重获交流能力带来可能。

 

当人们听别人说话甚至想象听别人说话时,脑电波会呈现出特定模式。多年来,科学家一直在尝试解读这类脑电波,并努力将其转化为声音语言。

 

美国哥伦比亚大学研究人员在新一期英国《科学报告》杂志上发表论文说,他们利用语音合成技术与神经网络算法新开发出一种“声码器”,可将受试者倾听数字时产生的脑电波还原为他们听到的声音。测试显示,约75%的情况下,“声码器”能将人脑电波还原为可被人类理解的一串数字。

 

在研究中,科研团队首先让接受过脑部手术的癫痫患者听不同人说话,同时监测他们倾听时产生的脑电波,以此训练“声码器”,然后让这些癫痫患者听别人念0至9之间的数字,并记录他们产生的脑电波,基于神经网络算法的“声码器”可对这些信号加以“理解”,并转化为机器声音复述的一串数字。

 

哥伦比亚大学副教授尼马·麦斯加拉尼在一份声明中表示:“我们测试发现,大约75%的情况下,人们能够理解和复述这些机器声音,这远高于此前的类似脑信号解读尝试”。

 

“声码器”是开发脑机接口技术的一项关键性进展。麦斯加拉尼团队未来计划利用更加复杂的词汇进行测试,最终目标是开发一款可植入设备,可将中风等说话能力受损的患者的想法转化为语言,让他们重获交流能力。

 

瘫痪康复

 

对于严重的脊髓损伤(SCIS)病人,就是从颈椎以下全部瘫痪的这种病人,可借助脑机交互开发一些生活的辅助设备。

 

专家做了很多实验,比如让这些病人来认数字。进行三组试验,第一组试验是让病人单纯看数字,让他盯着这个3和8,要他盯着3就盯着3,要他盯着8就盯着8。第二组试验是数字比较,譬如说3和8哪个大,他就盯着8。第三组试验是做加减法心算,给他出一个题目,比如3+2等于多少,然后再给两个答案,一个是5,一个是7,病人要选正确答案是5,就这样反复地进行训练。

 

这样做的好处是,第一,来判断这些病人有没有意识;第二,观察这些病人能不能够进行心算;第三,通过这些反复的训练来提高他们的康复效果。

 

更为重要的是,把这些病人分成两组,一组进行脑机交互,另外不进行脑机交互,发现进行脑机交互的这组病人,他们的临床评估的分数和将来的康复效果,明显都好于另一组。

 

02

教育

 

好未来

 

人工智能与脑科学的交叉融合,正在引发新的科技产业革命,成为高校、教育企业的重点研究方向。近年来,好未来持续发力教育科技,先后成立行业首家“人工智能实验室”“脑科学实验室”。对此,好未来CTO表示,“人工智能、脑科学等技术,正在促进教学形态的进一步进化,我们希望用教育产品和技术服务好不同形态的学校和机构,并在未来有节奏地向全教育行业输出”。

 

好未来基于“人工智能+脑科学”打造了WISROOM。“WISROOM”希望重新定义40分钟的课堂,显著提升师生参与度和互动度,真正做到“专属于每个班级的好老师、专属于每个学生的‘个性化关注’”。在WISROOM课堂上,教师能通过WISROOM自带的教学辅助系统,快速判断“一道题有多少学生举手抢答”、“他们的姓名分别是什么”、“哪些学生的参与度较低”、“哪些学生需要被关注”……绝大部分课堂行为都能转化为老师的决策建议,实时辅助老师进行教学。

 

“WISROOM”实现教育场景的完整化,也得益于“魔镜”系统的全新升级。作为“WISROOM”的重要组成,好未来“魔镜”系统运用图像和语音等人工智能技术量化教学过程,并针对课堂互动、内容传授、师生情感等进行建模,进而科学评估教学质量,最终为老师授课技能的提升提供建议指导。“在过去的教室里,教育好似一个黑盒,教学过程没有被数据化,所以教学质量无法被量化,教师难以获得提高授课水平的有效建议。”好未来AI Lab负责人介绍道,“升级‘魔镜’、发布‘WISROOM’都是好未来在科技领域的有力探索,我们希望用AI赋能老师,更好地给到学生个性化的关注。”

 

科大讯飞

 

我国依托北京师范大学成立了教育部基础教育质量监测中心,而科大讯飞通过提供人工智能技术,提高了基础教育质量监测的效率。比如在大规模音乐演唱测试中,监测中心研发了基于语音合成、语音评测等智能语音技术的演唱电子化测试系统,对全国20万余名学生同时进行音乐演唱数据采集,并采用模拟人机对话的客观评价技术,对学生的音乐表现进行计算机评分。

 

有了高质量的监测数据,才可能提炼出科学合理的评价标准。教育部已经提出要制定县域义务教育质量的评价标准、学校办学质量评价标准、学生发展质量的评价标准。在此基础上,要完善国家义务教育质量监测制度,建立监测平台。这些都是未来创新型人才培养的基础性问题。

 

现在受关注较多的新技术领域是脑科学,通过脑发育的一些技术去探讨人工智能在促进孩子的认知发展、记忆力发展、空间逻辑思维等方面的作用。通过认识脑部的发育规律,发现一个学生擅长什么,是运动方面、记忆力方面,还是逻辑思维方面等。这个方面值得期待,但距离技术的商业化应用还有点远。如果真的能突破,就真正能实现因材施教。

 

03

意念控制

 

意念控制机械臂

 

2014年8月,浙江大学医学院附属第二医院神经外科与浙江大学求是高等研究院合作的“脑机接口临床转化应用课题组”在全国首次成功实现了真正意义上的“用意念操控机械手”的人体实验,通过连接脑部的“电路”,用“意念”控制机械手做出“石头、剪刀、布”等复杂的手部动作。

 

意念无人机

 

Udrone意念无人机是基于领先的脑机接口技术,从而侦测到脑电活动,捕捉面部的微动作,并且把这些信号转换为指令,从而实现控制无人机。

 

首先下载手机端的App,App的主界面就是两个设备的连接选项。根据提示,分别针对两个设备进行连接,其中意念机是采用了蓝牙连接,而无人机则是采用了WiFi热点连接。有趣的是意念机的连接会有一个Noise值的数值,它有点类似于网游中的Ping值,当你佩戴好意念机并且集中注意力,这个数值就会逐渐减少,等降到70以下时就是连接好了。

 

使用意念控制模式时,首先要同时连接两个设备,戴好意念机,然后在手机App中开启意念控制模式,之后就拼命集中注意力,这时手机App界面就变成了一个实时脑电的显示界面,左边是脑电波图,右边是专注力数值。当注意力集中时,专注力数值会逐渐增加,当达到250时无人机就会开始启动并且起飞,自动悬停在2米左右的高度。然后通过摆头、咬牙等头部和面部的动作来进行操控。

 


 

意念控制小白鼠

 

2016年12月18日,浙江大学学子在央视《挑战不可能》节目中成功实现用脑波操控小白鼠走迷宫,震惊全场。

 

意念控制假肢

 

来自吉尔吉斯斯坦的National Hospital(一所国家医院)发明了一种高科技假肢,佩戴者可以用自己的意念来控制所佩戴的假肢,这种发明将改变许多人的生活。

 

据发明假肢的专家称,他们在假肢上安装上了神经感应器,当佩戴者的大脑神经发出电波的时候,感应器就能接受电波,通过数据解读,就能完成下达指令了,佩戴者就能轻松地控制假肢了。

 

目前,这款酷炫的假肢还未投放市场,研究人员表示,他们正在对机械假肢进行进一步的改进和完善,相信不久之后就能投入市场,让更多的截肢患者重新拥有可支配的手臂。

 

 

发展趋势

 


 

脑科学与类脑研究被列为我国《新一代人工智能发展规划》中的重要研究方向之一。据此提出未来发展建议:

 

1.加快构建全景战略视图,突出重点方向。

 

从科研、技术和产业等多维度形成类脑智能体系化布局,并突出重点发展方向,具体围绕结构、器件、功能三个层面开展重点布局和超前部署。

 

2.加大对基础工艺/算法/软件等的投入力度。

 

我国长期以来在新算法、新结构、新原理的研究方面原创不足,制约类脑智能整体创新供给能力。因此,仍需持续加大对原始科研创新的重视力度,对关键基础工艺/算法/软件等加大支撑投入力度。

 

3.强化政产学研合作,推动技术体系化创新。

 

类脑智能体系涉及要素较多,需要政产学研紧密合作,深化多方协同的合作,共同推动技术实现体系化的创新。借鉴其他先进国家布局经验,突出政产学研多方合作在类脑智能创新中的合力作用,构建国内多方协同的创新体系。