脑机接口002 | 上海与长三角地区脑科学发展与跨学科合作

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你了解自己的大脑吗？

人类的大脑拥有数千亿的神经元和数百亿的突触连接，可以被称为自然世界中最复杂的生物系统之一。

随着近几年新一代人工智能技术的发展，工业需求正推动人们对人类大脑认知神经机制的进一步探索，以及其与大脑智能技术的整合——基于大脑和神经科学原理发展的智能技术。

目前许多国家已经启动了大脑的研究项目，但其实从认知功能到衰老和一些大脑疾病的病理机制，人们的理解仍然存在差异。由此，要想让类脑计算系统和设备有进一步突破，我们需要对大脑的神经机制有更深入的了解。

2016年，我国宣布启动脑科学和脑智能项目，直到2018年，上海脑科学与类脑研究中心成立。它的研究领域包括大脑智能发展、大脑认知障碍和基于人工神经网络的类脑计算。

通过跨学科合作，上海脑科学与类脑研究中心将逐步建设人脑映射、神经网络结构和功能、脑功能和脑疾病临床研究、神经网络计算与信息技术、智能感知与认知、脑信息数据库等公共技术平台。

张江实验室是长三角国家科学中心和脑技术中心的重要单位，目前正在建设以张江总部为核心的区域研究网络。通过开创“中心+节点”模型，它将在研究中发挥核心作用，探索开放创新的机制。

官网网址：https://zjlab.ac.cn/index

2020年10月23日，天桥脑科学研究院（TCCI）第一个脑科学前沿实验室，在大型神经医学中心上海华山医院虹桥院区落成投入使用，主要聚焦大脑探知、大脑相关疾病治疗和大脑功能开发三大领域研究。

官网网址：https://www.cheninstitute.org/cn/%E9%A6%96%E9%A1%B5

下面为大家介绍一下张江实验室脑智能技术研究所、上海脑科学与类脑研究中心和天桥脑科学研究院的一些跨学科合作成果。

（该参考文章来自2020年Nature杂志，作者为张旭、张强、毛颖、吕松、何强、沈定刚、石峰、张方雄）

01 探索大脑结构和功能的成像技术

由张江实验室发起的中国脑分子和功能图谱，正在将先进的成像设备和技术应用于前沿的脑绘图研究。目标是能识别患者大脑区域及其连接体的变化，比如帕金森、阿尔茨海默症等。

该项目使用联影公司先进的成像设备，包括高性能3.0TMR、高清晰度TOF PET/MR和世界上首个PET-CT“uEXPLORER”（如图）构建高分辨率、高可靠性的成像。

“uEXPLORER”支持精细的解剖结构显像、30秒全身快速成像、微剂量显像等拓展应用，对多系统性疾病的研究有潜在价值。

同时“uEXPLORER”的智能算法更快、更准确，同时它还承诺提供开放的技术平台，促进脑图谱与其他平台和数据库之间的接口，包括临床智能诊断平台、教育数据库和药物开发数据库，支持脑图谱的二次开发和数据共享。

02 用于治疗阿尔茨海默症的新药开发

我们对大脑疾病的理解其实并不局限于单个基因或蛋白质的神经功能异常引起的局部脑损伤。相反，它延伸到整个身体系统的紊乱。

例如，越来越多的关于肠道微生物群失衡在AD*、PD*和抑郁症等脑部疾病中的关键作用的报道，这为设计治疗策略提供了一个新的视角。

*阿尔兹海默症（AD）：一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病
*帕金森病（PD）：负责调控肌肉运动的中脑黑质多巴胺能神经元的变性死亡，其过程较为缓慢，不可逆

世界上第一种治疗AD的寡糖药物GV-971（甘露特钠）是由我国绿谷制药公司联合开发的，其中绿谷制药公司是与中国海洋大学、张江实验室脑智能技术研究所和中国科学院下属的上海药物研究所联合开发的。

GV-971在一项3期临床试验中取得了积极结果，改善了轻度至中度AD患者的认知功能障碍。它通过调节肠道微生物群，治疗性地利用肠道细菌氨基酸影响的神经炎症和抑制淀粉样肽来对抗AD。

03 治疗评估阿尔茨海默症的新技术

新技术在脑部疾病的治疗中也发挥着重要作用。总部位于上海的天桥脑科学研究院(TCCI)的一个研究重点是使用电子游戏来辅助诊断和治疗。

该研究所资助的首个原创脑部疾病研究是由华山医院医生领导开发的一款虚拟现实(VR)游戏，以协助用于阿尔茨海默症的评估和治疗。

该认知训练和评估系统可以以显著的精度模拟许多真实世界的场景。通过在虚拟现实中完成购物等任务，老年用户将接受多种认知功能的刺激训练，如注意力和记忆，以及计算等技能。

他们在VR游戏中的行为，包括眼球运动、反应和行走路线，将被记录和分析，作为认知评估的指标。

04 儿童心理健康研究

脑科学的临床应用包括儿童心理健康，对儿童神经发育和认知心理的探索。

上海脑科学与类脑研究中心积极与医学和研究机构合作，促进神经科学、心理学和医学领域的跨学科研究。儿童和青少年心理健康研究也被列入中国大脑分子和功能图谱的议程。

婴儿和青少年阶段的大脑分子和功能图谱可能被用于建立与智力残疾、学习困难和情绪行为的联系，可以指导和优化儿童干预措施和教育方法。

05 类脑计算的发展应用

类脑计算技术是中国脑项目和上海脑科学发展规划的重要组成部分。张江实验室脑智能技术研究所和上海脑科学与类脑研究中心正在与科大讯飞、寒武纪以及其他高科技公司合作，以促进类脑智能研究的发展。

寒武纪为人工智能领域提供高能效的通用智能芯片。制造者核心成员均来自中国顶尖大学并有丰富的人工智能研究和技术背景。

2016年，当寒武纪成立时，它发布了一款专门为了深度学习的处理器，即寒武纪-1A智能处理器。作为为人工智能而生的处理器，它能最大限度地提高其在机器学习应用程序中的性能，如：计算机视觉、语音识别和自然语言处理。

第二年，寒武纪发布了Cambricon-1H8和Cambricon-1H16，可用于监控摄像头和自动驾驶等计算机视觉应用，其后者（1H16）显著提高了自然语言处理。

这些芯片的开发是基于深度神经网络，这是机器学习领域中流行的一种算法模型。它的建立是受到人脑神经网络连接模式的启发，从信息处理的角度进行了抽象。与基础神经科学研究人员关于绘制大脑功能连接体的合作，可能会进一步激励人工智能科学家开发智能芯片。

寒武纪以及开发了完整的智能芯片和处理卡，且在加速服务器端和功率效率方面有数量级的提高。在2018年，该公司推出的首款云端智能芯片MLU100为人工智能提供了强大的计算支持，包括多种应用程序和视觉、语音、自然语言。

通过与张江实验室的合作，双方有望在人工智能算法方面取得更多突破，并在未来开发更多新的智能芯片和人工智能技术。

结语——建设繁荣的未来

近几年来，这些脑科学的技术和临床计划正在广泛和不断发展。张江实验室脑智能技术研究所上海脑科学和类脑研究中心计划建立一个脑科学数据库和信息中心，促进项目和组织之间的数据共享，支持科研项目资源的整合和应用。

通过这种开放的合作模式，脑科学的基础研究成果将被更快地转移和应用于临床和人工智能行业。我们期待加快跨学科和跨学科创新的整合，实现高水平的科研和技术创新，促进上海和全国各地脑科学和脑激发智力研究的发展。

*后台回复“脑机接口002”可获得相关参考原文献

参考文献：

[1]Xu Zhang, Qiang Zhang, Ying Mao, Songtao Lv,Qiang He, Dinggang Shen, Feng Shi & Fangxiong Zhang,Brain science and technology:initiatives in the Shanghai and Yangtze River Delta region. Nature portfdio, 2020.
[2]郭静原. (2018). 国内首款云端人工智能芯片发布达世界先进水平. 仪器仪表用户, 25(7), 1.
[3]中华医学会放射学分会质量控制与安全工作委员会, & 中国脑成像联盟. (2022). 阿尔茨海默病脑mri标准化采集与分析中国脑成像联盟专家共识. 中华放射学杂志, 56(2), 9.

作者｜卷卷
排版｜卷卷
校对｜TingZhang