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腦機接口如何打開數字孿生之門﹖
當前腦機接口已成為全球科技前沿熱點。腦是典型的複雜信息處理系統。對腦的解密是人類自然科學的「終極疆域」﹐其衍生技術可引領神經科學﹑醫學﹑新型智能理論以及未來計算等多個領域。腦機接口概念在20世紀70年代就被提出﹐是指在人或動物大腦與外部設備之間創建的直接連接﹐實現腦與設備的信息交換。數字孿生則是基於計算機技術構建一個數字孿生腦。
相關研究者認為﹐腦機接口技術是通向數字孿生的「鑰匙」。大腦由神經元搭建起來是一個有很多腦區或神經元層次交互的系統﹐利用數學公式將大腦結構解析﹐刻畫出大腦內部的交互﹐通過計算機開展大規模的數值計算﹐能夠形成一個小到神經元突觸的某個層次﹑大到跨腦區環路甚至全腦的數字孿生模型。
「腦機接口好比一扇窗口﹐打開這扇窗戶﹐我們就能窺探大腦如何活動。」研究人員表示﹐為研究大腦功能解碼﹐他開展了一項實驗﹕實驗者戴上一個緊貼頭皮的帽子﹐帽子上密佈的電極對腦電信號進行採集﹐計算機運用算法對採集到的腦電信號進行解碼﹑讀取實驗者的心情﹐得出「高興」「正常」「悲傷」三種結論。再通過神經反饋或物理刺激調控﹐幫助實驗者調整情緒狀態。
「腦機接口研究還在早期﹐還面臨幾個挑戰﹐比如是否有簡單有效的方式採集大腦信號﹐如何對信號解碼。大腦和計算機的交互機制也有待探索。」研究人員說﹐這項研究的長遠價值在於探索大腦的運轉機理﹐推動人類設計出更加高效的神經網絡技術﹐實際意義在於揭示腦卒中以及自閉症﹑抑鬱症等精神疾病的發病機理﹐為患者提供個性化診療方案。
腦機接口關注的是大腦與計算機的交互﹐而數字孿生關注的是計算機對實體世界的數字化建模和仿真。「能不能從結構和功能上構建一個與真實大腦相似的生物模型﹐並再現一些自發的腦活動與腦功能﹖實際上是可以的。」研究人員表示﹐目前學界從神經系統或者腦動力學著手﹐已能部分實現大腦的數字孿生。但該項研究還處於初步階段﹐從微介觀水平構建全腦系統仍任重道遠﹐其難點在於腦系統的複雜性以及對算力的巨大需求。
研究人員分析說﹐有了數字孿生﹐就可以探索不同腦區之間的大尺度計算﹐瞭解並掌握大腦內部的整合規則和基本原理﹐利用生物脈衝神經網絡構建相關智能模型。研究團隊正在開展大尺度腦活動動力學建模和機器學習探索﹐該模型有助於解析腦功能和腦疾病﹐發展類腦算法。
從現有研究看﹐現階段數字孿生最接近應用的領域是對腦疾病的調控。而對於未來研究趨勢﹐研究人員認為﹐半侵入式或者面向大腦動態調控的新型無創腦機接口將是新一代腦機接口主要發力的方向。在數字孿生領域﹐後續研究或將關注大腦中重要的角質細胞﹑血管系統等﹐研究其與腦神經的交互﹐「如果把這些考慮進來﹐有一天也許能真正孿生出一個人腦。」。
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