文字|深音，作者|虞照、卢伟

本文的核心观点:

脑科学的基本概念和应用价值；

世界各国的人脑科学研究项目；

类脑智能的研究进展及产业落地。

“真正的钢铁侠”埃隆·马斯克用科技拯救人类的梦想最近有了新的突破。

北京时间8月29日，SpaceX、特斯拉等公司创始人埃隆·马斯克为自己旗下的脑机接口公司Neuralink举行了新闻发布会，并公布了最新一代脑机接口产品:一个硬币大小的可植入大脑的芯片和一个可自动植入芯片的手术装置。

据介绍，这款芯片可以感知温度和压力，读取脑电波、脉搏等生理信号，支持远程数据无线传输；有了最新一代的手术设备，未来一个小时就可以完成芯片植入，整个过程甚至和手术一样简单安全。

Neuralink成立于2017年，是一家研发具有超脑带宽的脑机接口，实现与人工智能共存的创业公司。Neuralink的突破让过去只出现在科幻电影中且充满神秘感的脑科学再次备受关注。

脑科学的概念本身并不新鲜。2004年4月，美国《科学》杂志庆祝创刊125周年时，邀请了来自世界各地的数百名科学家，列出了世界上最重要的前沿科学问题，最终归纳为125个，其中18个属于脑科学。

全球科学界的著名杂志《自然》。

最重要的脑科学问题包括意识的生物学基础、记忆的储存和恢复、人类的合作行为、成瘾的生物学基础、精神分裂症和自闭症的原因等。这些都是当时人们普遍关心和尚未解决的重大问题。

虽然问卷是16年前做的，但公认的脑科学主要问题直到现在都没有改变。

大脑是人体最重要的器官，也可能是宇宙中最复杂的物体——大约有1000亿个神经元，每个神经元与10万个相似的神经元相连，每个神经元有不同的放电模式、不同的编码模式和不同的信息处理方式。

为了观察大脑结构，了解规律，科学家们煞费苦心了两百多年。有科学家说，目前只发现了5%的大脑结构，远远不能满足解决实际问题的需要。

因此，它是脑科学研究最重要的发展方向，随着各国政府、企业和学术界的投入，脑科学已经成为一个热门的新兴产业。

脑科学包括哪些领域？

要了解脑科学在未来会带来哪些产业机会，首先要了解脑科学目前的学科领域和研究进展。

脑科学，也被称为认知科学，是一门探索大脑如何工作的科学——如何思考、如何记忆、如何学习等等。脑科学不仅仅指埃隆·马斯克痴迷的“大脑插管”。今天的脑科学研究大致可以分为以下三个领域:脑部疾病的防治、脑机接口和类脑智能。

其中:

脑疾病的防治是指科学家通过总结脑活动的一般规律，对可能发生的重型脑疾病进行诊断和干预；

脑机接口是通过电极或其他手段获取大脑神经活动的信息，并通过机器学习处理和模式识别转换成指令控制其他设备；

类脑智能指的是类脑计算机器人和大数据处理的研发。

在这些不同的方向上，研究脑科学有什么价值？

脑科学研究的应用价值

重型脑疾病的预防和治疗

通过建立对大脑工作机制的科学认识，首先能给我们带来价值的是，未来我们可能会找到预防和治疗各种重型脑疾病的治疗方法。如何保持大脑健康发育和智力发育是一个非常重要的社会问题。

在所有的脑部疾病中，儿童期的自闭症或孤独症和智力低下，中年期的抑郁和成瘾，老年期的阿尔茨海默病、帕金森病等退行性脑部疾病，都是比较严重的脑部疾病。重症脑疾病的诊断和干预将成为未来几十年脑科学领域非常重要的研究内容。

根据世界卫生组织的统计，脑相关疾病，包括各种神经和精神疾病，在所有疾病中社会负担最大，占28%，超过心血管疾病和癌症。

社会结构的变化也使得脑部疾病对未来社会发展的挑战不断上升。中国科学院院士、中国科学院神经科学研究所所长蒲慕明曾说:“中国已经进入老龄化社会，防治与衰老相关的各种脑部疾病迫在眉睫。以老年痴呆症为例。如果没有很好的治疗，平均三分之一的85岁以上老人可能会有疾病。”

蒲慕明还提到，如果我们通过脑科学研究找到治疗方案，我们可以将阿尔茨海默病的发病时间从85年推迟到95年后的15年，这是对社会的巨大贡献。

此外，脑科学在军事领域的应用也是各国目前正在探索的方向之一。与漫威电影的想象相比，当前的军事研究更关注如何帮助军事人员提高健康防护水平，提升军事认知效率。

中国军事科学院研究员吴海涛曾写道，即使在目前的技术水平上，“创伤性脑损伤和以创伤后应激障碍综合征为代表的军队性脑损伤仍将大量存在。”因此，将脑科学应用于军事领域，开发脑保护和认知增强的新技术手段，将有机会为军事行动提供更多的人道主义支持。

人机交互

除了脑部疾病之外，像Neuralink这样的人机交互方向也可能会给我们带来医疗保健方面的巨大贡献。

如果未来人机交互中使用的大脑接口技术能够成熟并普及，人类就可以通过大脑之间的直接交流来交流思想，更不用说用思想控制机器了。那么，脑机接口有望帮助癫痫、渐冻症等疾病患者恢复感觉和运动功能，在神经系统疾病的治疗中也大有可为。

从技术角度来看，脑机接口本质上是一种全新的信息交流和交互接口，目前分为侵入式和非侵入式两大类。这两种方法各有优缺点，更精确，可以编码更复杂的命令，如三维运动，但手术创伤不可避免；无创电极头皮贴片虽然方便，不需要开颅植入，但能检测到的脑电信号范围和准确性有限。

Neuralink的这一突破出现在侵入性领域:通过激光“打孔机”和“缝纫机”，将一根只有人发厚度1/4的线植入大脑，侵入性溶液可以以类似微创手术的方式将对大脑的损伤降到最低，使侵入性溶液更容易被人们接受。

Neuralink穿孔机的工作原理有点像缝纫机

实现类脑智能

脑科学的另一个重要应用方向是类脑智能，这也是我们比较熟悉的人工智能的一个分支方向。人工智能目前有两种技术发展路径，一种是模型学习驱动的数据智能，另一种是认知仿生学驱动的类脑智能。

目前人工智能发展的主流技术路线是数据智能，但数据智能有局限性，比如数据智能需要海量数据和高质量标注，高度依赖模型构建，消耗大量计算资源，只能解决特定场景下的问题。

产生这些局限性的原因是目前计算机中广泛使用的图灵机模型依赖于人对物理世界的认知，从根本上限制了机器描述和解决问题的程度。计算机程序是预设的，不能根据环境和需求的变化而自我进化。

类脑智能有效突破了图灵机的局限性和缺点，是人工智能发展的必经之路。受大脑结构和机制、认知行为机制的启发，旨在通过计算建模的方式，通过软硬件协同实现机器智能。

比如类脑智能可以处理小数据、小标注问题；较强的自学和联想分析能力；低功耗可以通过模仿人脑来实现；较强的逻辑分析和推理能力，具有认知推理能力；时间序列相关性好，更符合现实世界。类脑智能甚至可能解决一般场景问题，最终实现强人工智能和一般智能的思想。

一些研究人员预测，在未来20到30年内，可能会出现具有通用人工智能的类脑人工智能，能够通过新的图灵测试。类脑智能的成熟可以帮助科学家制造人工大脑，其存储密度会赶上甚至超过生物大脑，但其能耗会更低，这直接导致机器人、自动驾驶汽车、医疗诊断等人工智能交互系统更加智能化。

国内外研究:政府和学术界主导

面对脑科学领域仍有许多山在研究，但在未来有着无限的应用前景和价值，包括美国、欧盟、日本和澳大利亚在内的国家都设立了脑科学研究项目。

每个人的发展方向一般都是一样的，付出的努力也不一样。美国专注于开发新的大脑研究技术；欧盟专注于利用超级计算机技术模拟大脑功能；日本以狨猴为模型，重点研究各种脑功能和脑疾病的机制；中国提出了“一体两翼”结构的中国大脑计划。

美国创新神经技术大脑研究计划

2013年，时任美国总统奥巴马宣布启动“创新神经技术大脑研究”项目，通过绘制大脑动态图像，研究大脑功能与行为之间的复杂关系，了解大脑中大量信息的记录、处理、应用、存储和检索过程，帮助研究人员找到治疗、治愈甚至预防阿尔茨海默病、创伤性脑损伤等脑部疾病的新方法。

日本神经科学研究计划

2014年，日本科学家启动了神经科学研究计划。Brain/MINDS计划寻找一种新的方法来弥补利用啮齿动物研究人类神经生理机制的缺陷，建立狨猴大脑发育和疾病发生的动物模型。

欧洲“人脑计划”

欧洲“人脑项目”强调数据的收集和使用

也是在2013年，欧盟启动了“人脑项目”，有15个欧洲国家参与，预计为期10年。与美国不同的是，欧洲“人脑计划”侧重于通过超级计算机技术模拟大脑功能，实现人工智能。他们想通过实验收集的分子、细胞和解剖数据复制大脑的详细信号，然后应用到计算机技术中，而不是开发大脑认知的研究成果。

由于资金有限，欧洲“人脑科学项目”启动不到一年，决定不资助大脑认知研究。尽管这一决定遭到欧洲脑科学领域多达150名科学家的抵制，但大脑认知领域脱离欧洲HBP计划已成为既定事实。

“一体两翼”结构的中国大脑规划

2015年，中国正式确定了“一体两翼”结构的中国大脑计划。该计划面向世界智能科技前沿和“健康中国2030”战略需求，从认识脑、保护脑、模拟脑三个方向开展研究，逐步形成“一体两翼”的研究布局，整合脑认知功能分析和技术平台，以认知障碍相关重型脑疾病的诊断和治疗、类脑计算和脑机智能技术为两翼。

中国脑工程“一体两翼”结构研究布局

“一体两翼”的主要结构是了解大脑认知功能的神经基础，包括大脑的连接图和结构图，并在此基础上搭建各种平台，帮助分析上述图的功能。

该计划的一个方面是诊断和治疗脑部疾病，并形成各种新的医疗行业。另一方面，还有与人工智能相关的新技术，如类脑人工智能、类脑计算、脑机接口等，将对未来人工智能产业产生巨大影响。与国际社会相比，中国的大脑计划在最终确定之前已经酝酿多年，但也是目前公认的最佳方向。

产业落地进展

为类脑芯片而战

相比脑部疾病、人机交互等领域，在人工智能热度的带动下，类脑智能产业落地更为迅速。

看到类脑智能的巨大优势，近十年来，除了政府和学术界，全球各大互联网、商用机器公司和新兴创业公司都开始行动起来，研发类脑芯片。

2014年，IBM研究院率先研发出第二代synapse芯片“IBM TrueNorth”。一个TrueNorth处理器由54亿个相连的晶体管组成，形成一个包含100万个数字神经元的阵列，这些神经元可以通过2.56亿个电突触相互通信。

内置IBM TrueNorth芯片的集成电路板

IBM曾经说过，如果48个TrueNorth芯片组成一个拥有4800万个神经元的网络，智力水平将和普通老鼠差不多。然而这款芯片自问世以来并没有大动作，也没有应用到其人工智能系统沃森上。

2018年，英特尔展示了Loihi，这是一款自我学习的脉冲神经元芯片，花了数年时间才开发出来。该芯片包含128个计算核心，每个核心集成了1024个人工神经元，共计13.1万个神经元，通过1.3亿个突触相互连接。

2019年4月，类脑芯片公司aiCTX发布了DynapCNN，这是一款动态视觉AI处理器，芯片面积只有12平方毫米，单芯片集成了100多万个脉冲神经元和400万个可编程参数。其可扩展性更适合实现大规模脉冲卷积神经网络，已经超越了之前的IBM和Intel类脑芯片。

然而，三个月后，英特尔再次发布了最新的Pohoiki Beach芯片。该芯片集成了1320亿个晶体管，拥有800多万个“神经元”和80亿个“突触”，其智力水平相当于一些小型啮齿动物的大脑，这意味着Inter向“模拟大脑”的目标迈进了一大步。

2019年8月，清华研发出一款类脑芯片“天玑”，登上《自然》杂志封面。根据“量子比特”报告，它是一个“不仅支持神经科学模型，还支持计算机科学模型，支持神经科学发现的许多神经电路网络和异构网络的混合建模”的芯片。与IBM TrueNorth相比，“天玑”功能更全、更灵活、可扩展，也是全球首款异构融合脑芯片。

猫眼驱动的自行车可以快速避开路上的障碍物

全球范围内，脑芯片之战才刚刚开始，各家公司各有成败，胜负还远未可知。

人工智能的新进展

除了类脑芯片，国内外很多企业在其他脑科学领域也取得了进展。

谷歌旗下的谷歌大脑正试图让人工“神经网络”像婴儿一样通过试错熟悉世界，从而给机器带来类人的灵活性。从2011年开始，谷歌大脑尝试解决一些传统方法几十年都没有突破的难题，很多都取得了小的突破。

比如谷歌的语音识别之前做得并不好，但是当谷歌的大脑使用神经网络的新方法识别语音时，安卓手机上的语音识别几乎达到了人类的水平。得益于这项研究，谷歌翻译的准确率也大幅提升，成为谷歌最可靠、最受欢迎的产品之一。

与谷歌对类脑智能的研究相比，脸书选择探索脑机接口技术:脸书的60名工程师合作开发了一种脑机接口，人们可以用大脑打字，而不必植入侵入性植入物。

一个由脸书开发的无创大脑阅读设备的原型

除了思维打字，脸书还在研究一种让聋人“听”耳朵周围声音的方法。这项技术旨在使皮肤模仿耳朵中的耳蜗，并将声音转换为大脑的特定频率，从而产生听觉。

目前，脸书还在与三藩市大学、柏克莱大学、约翰·霍普金斯医学院、约翰·霍普金斯大学应用物理实验室等学校和机构建立合作关系。研究人员专门从事语音和语言解码的机器学习，希望建立一个具有空高级分辨率的光学神经成像系统和下一代神经假体。

不容忽视的竞争对手

脑科学的研究领域非常广泛，还有很多值得研究的问题。看到脑科学研究的巨大潜力，一些创业团队和研究机构加入进来。他们发挥了各自的优势，取得了一些成绩。除了文章开头提到的Neuralink，还有陈天桥桥前研究院、BrainGate、BrainCo、ElMindA等国内外机构和企业。

脑机接口

近期热点主角Neuralink由“钢铁侠”埃隆·马斯克创立，主要开发高带宽脑机接口系统。该系统利用神经外科手术机器人将专有技术芯片和称为“神经花边”的信息条植入人脑，然后通过USB-C接口直接读取脑信号，或者通过芯片无线传输到人体外的接收器，就像手机的蓝牙一样。

Neuralink使用的神经系带宽度约为4-6微米，是人发直径的四分之一。它不太可能损伤大脑，因此可以植入更深的大脑区域。此外，分布在96个神经鞋带上的3072个电极使大量数据的传输成为可能，这也使其更好地促进了人们对大脑的了解和对脑部疾病的治疗。Neuralink还开发了一种每分钟自动嵌入6个神经系带的神经外科手术机器人，从而实现脑机接口连接。

Neuralink最新版本的脑机接口手术机器人V2

然而，Neuralink也面临许多挑战。

首先也是最重要的一点，既然采用了侵入式接口方案，就要解决手术中如何将脑损伤降到最低的问题。其次，随着植入时间的延长，穿刺电极被炎症细胞包裹，理论上可能导致信号丢失。此外，电极植入部位的准确选择和信号的有效分析需要对大脑功能结构和活动方式有更深入的了解。

目前，Neuralink已经开始在小鼠和猪身上进行测试，并与加州大学戴维斯分校合作在猴子身上进行测试，预计未来将在人类身上进行测试。

除了Neuralink，脑机接口领域还有很多学术研究项目和初创公司。

脑机接口

BrainGate系统由美国布朗大学开发，通过无线技术使人脑能够远程控制其他设备。BrainGate依靠在人脑中植入一根可容纳多达128个电极通道的硬针来实现所需功能。

四肢瘫痪的患者可以通过BrainGate系统直接控制机械臂

BrainGate临床试验效果良好。它成功地让一位中风瘫痪的女性在没有护理人员的帮助下用机械臂喝下了第一杯咖啡；瘫痪的人可以用这个系统以每分钟8个单词的速度打字。更神奇的是，BrainGate甚至可以让受试者瘫痪的肢体再次活动。

但是，BrainGate系统对于长期功能来说是一个很大的问题:大脑在颅骨内运动，但阵列中的针头不运动，可能会对患者造成伤害。

脑机接口

BrainCo由哈佛大学脑科学中心博士韩创立。他和埃隆·马斯克一起被美国媒体评为脑机接口领域的五大创新者之一。与Neuralink和BrainGate的侵略性侵入式解决方案相比，BrainCo研究的是非侵入式解决方案，有几款产品，如带冥想头环的Focus、带冥想头环的Focus Fit、带智能假手的BrainRobotics。

聚焦已经在美国的课堂上尝试过

前两款产品旨在提高用户的注意力。产品的基本逻辑是通过无创佩戴的方式采集佩戴者的脑电波信号，并将这些脑电波信号转化为注意力指数，可以实时跟踪用户的注意力。在以上基础上，智能假手希望通过识别佩戴者手臂上的肌肉神经信号来判断佩戴者的运动意图，然后将运动意图转化为相应的运动指令，从而完成佩戴者想要完成的动作，从而帮助残疾人更好地完成日常生活中的基本动作。

今年8月27日，BrainCo美国公司总裁Max Newlon在哈佛大学展示了Brain OS人脑智能操作系统和两款预研产品。人脑智能操作系统采用无创无创混合脑机接口技术。通过佩戴该装置，系统可以采集和处理人体的脑电信号和肌电信号；两个预研产品，一个是利用脑波成像技术还原人眼看到的或大脑中想象的画面，另一个是利用肌电控制系统采集前臂手部运动肌肉群的肌电信号，并对用户手部运动意图进行处理和判断。

目前，BrainCo已完成A轮融资，估值4亿美元。投资方包括中国电子、光大控股、德讯资本、CDH投资等机构。

TCCI:大脑检测

除了埃隆·马斯克，还有一位同样非常关注脑科学发展的知名企业家，那就是盛大的陈天桥。

2016年底，陈天桥夫妇出资成立陈天桥陆谦研究院，专注于患者尤其是瘫痪患者的治疗，探索如何让瘫痪患者用意念精准控制机械臂，甚至通过脑机接口模拟触觉。

陈天桥和他的妻子承诺向该研究所注入10亿美元

目前，TCCI依托加州理工学院开展脑治疗研究，还在中国上海建立了临床转化中心。

他们的研究主要涉及以下三个方面:

大脑检测:了解大脑如何将输入信息转化为思想、情绪、决策、行动和记忆；

脑治疗:提高对脑机制和过程的理解，将理解转化应用于心理障碍和神经退行性疾病的治疗；

大脑发育:改善人机交互，利用AR或VR技术促进神经康复，为新一代人工智能奠定基础。

在2018年年度报告中，TCCI还介绍了该研究所科学家取得的一些实际进展。例如，他们试图通过大脑扫描来预测人们的智力；从脑科学的角度解释，“为什么人们在点午餐时很难做出选择？”；增强现实设备也被用来在感官周围传递数据，并帮助盲人在认知水平上恢复视力。

类似于TCCI和加州理工学院的合作，脑科学研究也能得到更好的支持。

埃尔明达:大脑活动的可视化

陈天桥的盛大集团在研究院之外投资了一些脑科学创业公司，比如ElMindA。

艾敏达于2006年在以色列荷兹利亚成立，获得包括陈天桥的盛大集团在内的多家公司和银行数千万美元的投资。他们利用机器学习来识别特定大脑功能中的神经网络活动模式，并将神经数据转化为大脑活动的视觉图像，有利于医生进行观察和判断。这款产品可以直接放在病床旁边，一些医生已经用它来检测受伤大脑的恢复情况。

脑科学研究方兴未艾

为了适应计算机科学发展和人类社会实际应用的需要，近十年来，脑科学研究在德国兴起，政府、学术界和工业界都对脑科学表现出浓厚的兴趣。

脑机接口、类脑芯片、强人工智能等概念的研究进展层出不穷。有时候科学界会对此感到兴奋，人们不禁会想:借助脑科学，我们会很快迎来人工智能完全超越人类智能的时代吗？

但实际上，目前的脑科学研究只是漫长旅程的第一步，人类对于大脑的认知水平还是相当有限的，大脑可能是宇宙中最复杂的物体。有学者指出，即使在下个世纪，脑科学仍然是一门前沿科学。

至于脑科学的广泛应用，恐怕不会进行得这么快。

从课题研究到产品落地是一个漫长的过程，花费的时间往往以十年计算。即使产品成熟，可以商用，价格高也是真正需要的人不得不面对的问题。此外，许多脑科学实验和重型脑疾病的治疗往往涉及伦理问题。如何划定科学研究与社会伦理的界限，最大限度地减少纠纷，真是让人头疼。

但至少毫无疑问，脑科学将是未来生命科学发展的一个非常重要的领域。随着越来越多的人关注这个领域，我们可以期待更多的人才和资金进入这个领域。在良好政策的支持下，我们将推动脑科学的发展，为我们带来更多令人振奋的科技突破和实用产品。