谭力海：人脑成像技术与脑疾病患者的语言功能保护

深圳市神经科学研究院院长谭力海

　　新浪财经讯 “第二十届高交会-中国高新技术论坛”于2018年11月14日-16日在深圳举行，本次论坛的主题为“坚持新发展理念、推动高质量发展”，深圳市神经科学研究院院长谭力海出席“颠覆性创新技术”主题论坛并演讲。

　　人类对遥远的太空取得了认识，但是对近在咫尺的脑神经元却难以理解。是什么限制了对人脑的理解和想象呢？谭力海说，是技术。

　　而深圳市神经科学研究院通过这种高分辨率的脑成像技术，可以对人脑的结构和人脑的功能进行非常精准的定位，了解人脑的同时，还能脑疾病患者的语言功能保护和重塑。

　　以下为演讲实录：

　　谭力海：谢谢王先生，我们知道人脑是由上千亿个神经元组成的生物组织，人脑神经元的数量就像满天的繁星一样多，遗憾的是物理学家和天文学家对太空的认识远远超过脑科学家对人脑的认识，是什么限制了对人脑的理解和想象呢？是技术。研究太空我们现在超高分辨率的望远镜，研究人脑的望远镜却姗姗来迟。

　　上个世纪80年代中期之前，科学家对人脑的研究主要是依靠动物的模型，通过研究果蝇、大鼠、猴子、猩猩来推测人脑是怎么工作的，科学家也用脑损伤的病人，但是这些人可遇不可求，而且损伤之后最先做的是治病救人，在治病救人的过程中脑的功能可能就得到了重塑。所以上个世纪80年代中期之前科学家对正常人的大脑功能的研究非常少，因为我们没有可靠的技术或者有极少数可靠的技术，但是从70年代末80年代中我们有了神经影像技术，能够直接对神经系统特别是脑的结构和功能进行成像，我们可以用成像技术或者叫磁共振研究脑的结构，同时也可以探测脑的功能，比如说大脑的哪一个部分是负责记忆，哪个部分是负责注意，哪个部分是负责语言的，人脑的分工是非常精细的。

　　通过这种高分辨率的脑成像技术，我们可以对人脑的结构和人脑的功能进行非常精准的定位，这个定位精准到什么程度？精准到一到三个毫米，所以用磁共振技术进行临床的脑疾病诊断是相当精准的，非常有效的。虽然这个空间分辨率不是很好，到不了神经元的水平，而是在毫米的水平，是在宏观的水平，由于磁共振的技术对于人脑的研究不能在分子、基因、蛋白水平来揭示人脑的功能和脑疾病的发病机制，所以治疗脑疾病的药物研发就面临着巨大的挑战，因为我们治疗脑疾病的模型现在主要靠动物模型。比如说把正常的老鼠通过一种技术弄到老年痴呆，再看有没有药物可以治，结果发现这些资料老鼠老年痴呆的药物放在人身上没有用，所以过去几十年公司投入了几百亿美元研究老年痴呆的药物和帕金森的药物没有一家公司是成功的，这就是因为我们对人脑的知识非常少，依靠动物模型有巨大的局限性。

　　脑疾病造成的经济负担占全球疾病总负担的30%，脑中风每年新发病率几百万，是社会和家庭的沉重负担，中风之后造成偏瘫失语。脑肿瘤疾病，还有自闭症、脑瘫属于神经发育性疾病，还有老年痴呆这些脑补疾病会造成非常严重的认知行为障碍，语言障碍，情绪障碍等等。但是按照斯坦福大学神经科学家Deisseroth在大脑研究史上，人类从未精确地验证过大脑的工作原理，面对生物系统的复杂性尤其是错综复杂的大脑，研究到底该从哪里开始。所以向脑疾病宣战成为国家的战略，我们国家正在启动我们的脑科学类脑研究的重大项目，我作为中国脑计划17个编制专家之一，见证了中国脑科学过去几年非常显著的发展，我们为什么要做类脑研究？首先它有战略的意义，能够让我们国家在科学的前沿占有重要的一席之地。

　　其次是保障脑的健康，尤其是保障儿童青少年的智力发展，促进素质教育，提升创新能力，同时也为诊断治疗脑疾病提供非常重要的理论基础，大家从这个图可以看出来，三大疾病和伤残造成的负担，其中以神经和精神性的疾病最重，占17.5%，我国脑疾病发病率也在急剧攀升。

　　第三，促进智能产业发展，我们现在的人工智能非常火，大家经常问人工智能在未来会不会把人类灭了？我们中国的脑计划也在研究促进人工智能产业发展的战略，中国脑计划的总体目标是应对三大需求：一是儿童脑智的发展，二是健康中国，三是健康产业。具体来说，对人脑的认知功能研究方面，我们希望能够解析基本认知功能的脑科学的技术和高级认知功能的脑技术，这些研究内容包括语言、决策等等，另外一个非常重要的方面是把儿童青少年认知能力和心理健康水平提升20%—25%，各类学习困难发展率降低50%。关于健康中国，中国的脑计划主要侧重在三类脑疾病：儿童期的自闭症，中年抑郁症，老年的痴呆症，我们希望经过15年的中国脑计划的执行，把治疗有效率提高40%，把抑郁症的早期诊断正确率由目前的不足50%达到85%以上，治愈率提高15%，老年痴呆全球没有药物可以治，我们希望可以实现早期预警和早期干预，延缓发病五年以上，生活质量提高50%。

　　人工智能很重要的就是机器学习，现在很火的词叫做深度学习网络，就是把我们看到的面孔或者词汇分解成一个一个的局部，然后进行编程，让机器识别。为了让机器成功识别面孔，现在微软机器对面孔的识别率达到97%，但是为了达到这个面孔识别，它需要把看到的面孔分成152层的特征，读到电脑里面去，然后让电脑和所看到的目标进行配对，以现在机器可以识别面孔没有问题，比如说泰国现在有1.1万家7—11分店，都采用人脸识别技术，在门口放一个摄象机马上可以识别出这个人是什么特点，所以对客户的特点进行非常好的分析，这个精准率达到96%—97%，但是它把一个目标和存储在电脑里面100万个样本进行对比，少于100万个样本人脸的识别精准率就非常差了。这是一个大的数据，其实大数据就是这么来的。

　　但是我们想想这个存储，这么大的存储，是不是也是我们人脑在识别面孔时候用的呢？我们知道婴儿在出生三天之后就知道爸爸妈妈的面孔，那个时候婴儿可以接触到几个面孔？我估计不超过20个，他是怎么从20个面孔里面分辨出爸爸妈妈的面孔？所以人脑对面孔的识别完全不同于现在机器对面孔的识别。人脑的识别在效率上要高多了。

　　现在我们也有读脑的技术，浙江大学的团队成功实现训练猴子用意念来控制机械手，美国四肢瘫痪长达15年的中风患者通过意念控制机械手，完成喝水等简单的行为。更神的是可以从人脑的信号移植到另外一个人的身上，华盛顿大学的研究者将检测到实验者A想象右手动的头皮脑电信号转化为磁刺激，作为于实验者B大脑的左运动皮质区，令B的右手向上移动。但是人工智能技术面临巨大的挑战，其中一个重要的挑战是怎么样获取稳定的信号？再一个挑战是对生物信息怎么样进行存储？脑信息获取新的手段，现在我们用的最多是高精度的磁共振，它可以对健康人和病人的全脑在完全没有创伤的情况下进行高清晰度的解析，现在做的最多是用七个特斯分辨机器。磁场越长扫描的精度就越好。

　　在进行这种脑信号的采集研究过程中，需要大队列多层次研究，需要设备和人类与动物模型，我们深圳几年以前对脑的研究有的学者说是一穷二白，但是这几年我们发展非常快，虽然我们的基础比较薄弱，积累比较少，因为我们的设备相对于北京、上海、杭州、广州都是比较落后的。甚至标配型的设备都没有，我在深圳大学工作，深圳大学很多教学用的设备都没有，南方科技大学更少，因为我们大学成立晚，这些设备购置需要时间。我们的人才积累也少，毕竟是一个新的城市，研究的特色也需要突出，如果不进行有特色的研究就很难和北京上海相媲美。

　　另外一个就是脑科学大数据面临的挑战，像人脑这么多亿个神经元形成上万万亿个突出的连接，所以它的数据量是非常大的，美国科学家外籍院士估算过小鼠大脑产生60TB的数据，人脑进行非常精细的切片可以产生200个EB的电脑，就是可以和现在全世界的信息总和相比，没有地方存的，机器也转不动。

　　在耗能方面，人脑和机器不一样，我们的人脑我在讲话大家在听，我们消耗的能量是20瓦，相当于一个灯泡的能量。但是如果基于目前的计算机体系，构造一个和人脑复杂程度相等的计算机，就需要1000兆瓦的能量，所以现在的人工智能面临着两个大的问题：一是内存强，存储出了问题，算不动，存不起来。二是能耗强，耗能量巨大，这都不是人脑正常耗能所比的。所以类脑芯片研发，就是全球所有的发达国家集中进行的一项工作，也是我们国家的脑计划重点研发的工作，可以想象如果哪个国家攻克人脑一部分一个小的区域的活动原理，并把这个活动原理用到机器人身上，研发出来这种机器人的武器，不掌握这种类脑技术的国家就根本不能给人家相比。

　　未来很好，非常丰满，现实很骨感，面对数千万老疾病患者，面对人脑的分子运行机制甚少，我们发现人脑处理中文和英文脑区有相同的地方也有不同的地方，所以神经外科医生在进行手术的过程中，开颅手术过程当中，怎么样设计手术方案，保护患者的大脑语言功能，避免手术之后人为造成偏瘫失语，是我们研发的一个重点。

　　手术之前如果不对患者的大脑语言功能区进行个性化定位，手术后语言障碍发生率70%，美国是33%—50%，个性化定位非常重要的，我们来演示一下怎么和医院合作的，我们在深圳怎么用互联网+医疗的技术来进行这方面的合作。

　　我们进行语言运动功能的测试任务设计，医生进行脑功能的扫描，这是患脑直流，正好是在大脑语言的区域。在手术之前我们对他进行认知测试，脑胶质瘤的区域正好是他理解语言的区域，所以手术的时候就要保护周边的区域，这是我们做磁共振的培训，把病人放到机器里面扫描，我们国家有三千多家医院都有这种机器可以扫描病人的脑功能，包括县城一级的医院。我们很清楚这个脑区有特定的功能，我们只需要设计两个任务，扫描的时间只需要五分钟。

　　扫描完之后医院把数据传给我们，我们进行数据处理，一个病人的数据我们40分钟就可以出来，一个学生助理可以处理10个病人的数据。这是胶质瘤，发亮的地方是负责并深语言的区域，有的区域非常靠近胶质瘤的区域，在手术的时候就要保护这个区域，保护红色、黄色的区域。我们做完之后，写完检查报告，把检查报告送到医院，医院医生为病人进行开颅手术的时候进行参考。医生拿一个很小的无创的电击，按住病人的脑袋，如果按住这个区域他还可以说话这个区域就可以切，如果不可以说话不能切；手术之后我们对病人来进行术后的语言功能预测，包括看这个病人脑区的激活问题，我们发现病人的大脑语言活动区没有受到损伤，而且病人整个的语言功能也是非常完整，这是我们在和医院进行的互联网医疗的服务，谢谢大家。

　　新浪声明：所有会议实录均为现场速记整理，未经演讲者审阅，新浪网登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述。

责任编辑：谢长杉