全球工程前沿2019-类脑、脑科学与脑机
更多技术，第一时间送达
大家好！
今天Rose小哥继续给大家分享有料、有趣的脑机内容！
2019年12月10日，中国工程院战略咨询中心、科睿唯安以及高等教育出版社在中国工程院联合发布《全球工程前沿2019》报告。报告围绕机械与运载工程、信息与电子工程、化工冶金与材料工程、能源与矿业工程、土木水利与建筑工程、环境与轻纺工程、农业、医药卫生、工程管理9个领域，遴选出年度全球工程研究前沿93项和全球工程开发前沿94项。
这里只介绍信息与电子工程与医药卫生领域中关于类脑、脑科学与脑机接口方面的信息。
信息与电子工程
（1）类脑智能
人工智能已成为新一轮科技革命和产业变革的核心驱动力。与当前以算法为核心的人工智能技术路线不同，类脑智能试图借鉴、模仿进而超越生物大脑的感知和认知功能，是实现通用人工智能（强人工智能）这一终极目标的重要技术途径之一。类脑智能的技术路线主要分为两种：自顶向下的功能模拟路线，自底向上的结构仿真路线。两者既针锋相对，又密不可分。功能模拟以认知科学为基础，借鉴大脑认知机理来设计新的人工智能模型，但由于揭示认知机理极端困难，因此突破时间难以预测。结构仿真以神经科学为基础，通过精细仿真生物神经元、突触和神经环路，试图构造出逼近生物神经系统的装置，再通过刺激训练产生类似功能，预计在数十年内会渐次突破。
近年来，大脑观测、解析技术与仪器快速进步，神经科学和认知科学快速发展，各国纷纷推出“脑计划”，如果蝇脑解析取得突破，人脑精细解析有望在20 年内实现。与此同时，精细仿真生物神经元和神经突触的功能器件纷纷出现，首台能够精细仿真人类大脑的机器有望于2022 年建成，结构仿真和功能模拟有望实现快速对接和互动，从而显著加速类脑智能的发展。
（2）脑成像技术
脑结构错综复杂，包含上千亿个神经元，彼此之间又有着百万亿个连接。时至今日，脑的核心功能，如情绪和情感等，仍然是未解的难题。这是攻克严重危害人类身心健康的神经系统重大疾病的关键，也将为发展类脑计算系统和器件、突破传统计算机架构的束缚提供重要依据，决定着未来人工智能的深度发展方向。
自16 世纪末显微镜发明以来，每次显微成像技术的突破都给生命科学研究带来里程碑式的发展。近年来，脑成像技术在成像的分辨率、速度、深度和视场4 个方面均取得重大进步。针对脑环路多尺度特性的新型脑成像技术，将为国家“脑计划”在多个层面上解析脑环路结构与功能提供关键引领和支撑，主要研究方向包括：发展高通量三维结构与功能成像和样品处理新技术，以及图像数据处理分析新方法，实现以细胞级分辨率对不同生物全脑神经元类型、连接与活动的快速定量解析；发展大范围、深穿透度的在体高分辨光学成像等新技术，实现清醒和自由活动动物神经活动的高时空分辨解析；发展光电关联等超微成像新技术，实现对神经突触等亚细胞结构的超微解析和定量表征。未来进一步提高活体脑成像的成像深度，开展神经环路的高速高分辨三维重构，探索精准脑结构和功能成像，既是脑成像技术的发展趋势，也是当前国际研究的难点和重点之一。
医药卫生
（1）脑科学的神经计算和类脑智能研究
脑科学的神经计算和类脑智能研究属于神经科学与数学等多学科交叉领域，是指综合运用数学、计算机科学、神经科学、生物学、物理科学、认知心理学、社会与行为科学以及工程学等众多理论方法和分析工具，对跨时空多尺度海量数据，包括遗传、神经元、脑影像、大规模认知功能和环境等，通过定量分析、计算模型和构建受脑启发的随机计算方法，深入研究神经系统的原理和动力学，破译大脑信息处理与神经编码的原理，解码大脑工作原理，同时，在上述研究基础上，通过信息技术予以参照、模拟和逆向工程，模拟大脑高级认知功能机理，发展类脑智能算法，形成以“类脑智能引领人工智能发展”为标志的新一代人工智能通用模型与算法、类脑芯片器件和类脑智能各类工程技术应用等新型研究领域。
脑科学的神经计算和类脑智能研究包含两个方向：一方面涵盖了对大脑运算本质的神经生物学研究；另一方面，通过计算方法解码大脑智能原理，创建新的智能技术，将广泛覆盖人工智能相关的各个领域。目前，以深度学习为代表的人工智能技术正在加快改变社会生产和消费方式，由其衍生的科技产品和模式，已经在互联网业务、软件、电子商务、云计算、医疗、工业制作等领域获得初步应用。以制造业为例，智能化浪潮正在加快全球制造业的变革，突出代表为德国的“工业4.0”，通过智能算法、芯片设备的介入，推动整个生产制造过程具备自我感知、自我学习、自我优化能力，日趋开放协同、柔性化、个性化。德勤发布的一项最新人工智能报告称，到2025 年，全球人工智能市场规模将达到6 万亿美元。而以类脑智能研究为引领的下一代人工智能技术蕴藏着重大机遇，一旦突破可能将颠覆传统的医疗、消费、城市管理、工业制造等各行各业，催生新的产业爆发点和增长点，产生巨大的经济效益和社会效应。同时，在军事安全、信息数据安全、生物安全、情报分析等一系列重要战略领域都将产生重大影响。
（2）类器官芯片及其生物医学应用研究
类器官芯片是近年来出现的一种体外三维细胞培养方法，其主要目标是在微流控芯片上将具有干细胞潜能的细胞培养形成细胞团，模拟、研究并控制细胞在体外培养过程中的自我更新、自我组装等生物学行为，进而表现出与来源组织相似的空间结构，并在芯片上再现器官的部分关键功能，从而实现药物筛选评价、遗传疾病建模、细胞治疗等多领域的应用。类器官芯片的研究在国际上虽然尚处于初步阶段，但是由于其具有多器官集成以及高仿真人体功能等潜力，被认为是促进转化医学发展的催化剂，受到了国际上的高度重视。其关键科学问题包括类器官细胞来源的拓展、共培养体系的探索（如类器官与间充质结构、血管和免疫细胞）、细胞外基质代替物的研究、芯片的类器官结构设计、芯片内微环境的控制和类器官多功能/ 多器官芯片的开发等方面。目前，欧美的研究机构及生物技术公司已在进行相关技术的研发及推广应用，他们控制了这类技术的重要专利。美国食品药品监督管理局（FDA）已经宣布将在实验中对器官芯片和动物模型获得的实验数据进行比较，以验证用器官芯片模型取代动物模型进行新药研发的可行性。作为构建未来新药评价体系的重要发展趋势，器官芯片对于支撑我国创新药物研发以及转化医学的发展具有重大战略意义。尽管类器官芯片的研究已取得了显著进展，但在解决建立更符合人体生理的芯片系统、实现多器官的功能关联及协同，以及实现芯片标准化和集成传感检测等方面仍面临挑战，这也将成为类器官芯片未来研发的重点。
（3）脑机接口技术
脑机接口（BCI），是一种通过检测中枢神经系统活动并将其转化为人工输出，来替代、修复、增强、补充或者改善中枢神经系统的正常输出，从而改变中枢神经系统与内外环境之间的交互作用的技术。脑机接口技术通过置于头皮或颅内的电极等传感器采集脑神经活动信号，经过信号处理、特征提取、模式识别等过程，可获知人的控制意图、认知或心理状态、神经系统疾病状态等信息，为运动、语言等功能残缺的患者提供新的控制、交流通道或康复手段，也可为健康人群提供更多信息输出通道。随着脑电信号采集技术与信号处理技术的发展成熟，脑机接口技术已逐渐走入临床应用，在诸如中风、注意力缺陷等脑损伤或其他神经系统疾病患者的临床康复中表现出色，为高位截瘫、肌萎缩性侧索硬化症等运动功能障碍患者提供新的运动功能替代方案，为情绪、疲劳、意识状态等的检测和识别提供客观指标。因其在军用和民用领域的广阔前景，我国和欧美发达国家均高度重视对脑机接口技术研究的投入，近年来陆续出现了一系列技术初创公司，并陆续实现技术突破、推出新型产品，基于脑机接口技术的临床康复和日常应用产品已形成一定规模，并且其市场规模持续高速增长。高空间分辨率的脑神经电、磁信号采集技术、信号分析技术的智能化、高集成度软硬件平台的开发，将是促进脑机接口技术突破的关键，脑机接口技术与材料科学、纳米技术、机器人技术、人工智能技术的深度融合，将为众多神经系统疾病的诊断和康复带来新希望，也将促使脑机接口技术真正成为一种人人可用的人脑与计算机之间高性能信息交互的通道，在未来军用和民用领域都将产生巨大效益。
Rose小哥整理于《全球工程前沿2019》
脑机接口BCI学习交流群：QQ群：903290195