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（圖片來源：Unsplash）khT曹操讀書網(wǎng)

隨著人工智能（AI）、深度學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)的不斷演進(jìn)發(fā)展，很多研究人員發(fā)現(xiàn)，AI 在腦科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，特別是在精神腦、老年腦、兒童腦的研究中，能夠提供更好的方法與策略。khT曹操讀書網(wǎng)

北京時(shí)間10月7日、8日的凌晨，由盛大網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)始人、慈善家陳天橋夫婦出資成立的天橋腦科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱TCCI），與頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》（科學(xué)）雜志共同舉辦了一場(chǎng)兩天共計(jì)6小時(shí)的線上研討會(huì)。khT曹操讀書網(wǎng)

本次線上研討會(huì)售價(jià)100美元（學(xué)生證免費(fèi)），主題為“認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的前沿研究”，核心是分享與腦科學(xué)相關(guān)的最新科學(xué)領(lǐng)域的突破性技術(shù)，兩天分別探討包括情感計(jì)算、情緒和面部表情，以及機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、演講和語言等具體議題，希望利用現(xiàn)代化、跨領(lǐng)域的科學(xué)手段來攻克有關(guān)人腦和大腦認(rèn)知的深層問題。khT曹操讀書網(wǎng)

兩天的演講嘉賓（按照出場(chǎng)順序）包括上海交通大學(xué)心理與行為科學(xué)研究院特聘研究員楊志博士，德國(guó)馬克斯·普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所娜丁·戈加拉（Nadine Gogalla）博士，麻省理工學(xué)院 Rosalind Picard博士，TCCI轉(zhuǎn)化中心主任、華山醫(yī)院院長(zhǎng)毛穎教授，加州大學(xué)舊金山分校神經(jīng)外科學(xué)教授Edward Chang，以及麻省理工學(xué)院麥戈文腦科學(xué)研究所、腦神經(jīng)科學(xué)副教授Evelina Fedorenko。khT曹操讀書網(wǎng)

據(jù)悉，TCCI是由陳天橋、雒芊芊夫婦私人出資10億美元?jiǎng)?chuàng)建，是一所主要聚焦大腦探知、大腦相關(guān)疾病治療和大腦功能開發(fā)三大領(lǐng)域研究的機(jī)構(gòu)，旨在支持、推進(jìn)全球范圍內(nèi)腦科學(xué)研究，TCCI一期投入了5億元人民幣支持中國(guó)的腦科學(xué)研究，并與華山醫(yī)院、上海市精神衛(wèi)生中心等建立戰(zhàn)略合作；而《科學(xué)》雜志則是由美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）于1880年起出版的英文學(xué)術(shù)期刊，是極具權(quán)威性和影響力的世界頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物。目前該期刊訂閱人數(shù)約為13萬。根據(jù)《期刊引證報(bào)告》，《科學(xué)》雜志在2019年的影響因子為41.845。khT曹操讀書網(wǎng)

實(shí)際上，早在今年9月16日，科技部網(wǎng)站正式公布科技創(chuàng)新2030“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目2021年度項(xiàng)目申報(bào)指南的通知，涉及59個(gè)研究領(lǐng)域和方向，國(guó)家撥款經(jīng)費(fèi)預(yù)計(jì)超過31.48億元人民幣。khT曹操讀書網(wǎng)

這標(biāo)志著，比肩美國(guó)腦計(jì)劃、醞釀6年多的中國(guó)腦計(jì)劃項(xiàng)目正式啟動(dòng)。那么，本次研討的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、腦科學(xué)等交叉學(xué)科融合技術(shù)，是否會(huì)預(yù)示著行業(yè)新的科研技術(shù)發(fā)展前景？腦科學(xué)領(lǐng)域還能實(shí)現(xiàn)哪些技術(shù)突破？khT曹操讀書網(wǎng)

利用看電影對(duì)照實(shí)驗(yàn)識(shí)別精神分裂癥患者

人的大腦成像信息十分重要，醫(yī)院中就有多項(xiàng)“腦電圖”相關(guān)的檢查項(xiàng)目，就是利用腦成像提供的獨(dú)特信息，來更好地診斷和早期檢測(cè)精神等類型疾病。那么，不斷進(jìn)步的神經(jīng)影像方法是否可以幫助我們客觀和定量化地測(cè)量腦的一些高級(jí)的、整合的功能呢？khT曹操讀書網(wǎng)

作為研討會(huì)上第一位演講嘉賓，上海交通大學(xué)心理與行為科學(xué)研究院特聘研究員、TCCI轉(zhuǎn)化中心研究員楊志博士，在線上分享了他與科研團(tuán)隊(duì)在去年8月1日《NeuroImage》（神經(jīng)影像）雜志上發(fā)表的一篇重要研究成果：利用開發(fā)的一種個(gè)性化的精神病神經(jīng)影像技術(shù)，基于126名參與者在觀看電影剪輯時(shí)記錄到的大腦活動(dòng)，就可以檢測(cè)識(shí)別出具有精神分裂癥特征的患者。結(jié)果顯示，通過訓(xùn)練SVM分類器（機(jī)器學(xué)習(xí)分析樣本工具）識(shí)別精神分裂癥參與者，在交叉驗(yàn)證測(cè)試中獲得了71-78%的準(zhǔn)確率，在獨(dú)立的驗(yàn)證數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)了95%的準(zhǔn)確度、100%的靈敏度和90%的特異性。khT曹操讀書網(wǎng)

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這一研究成果使轉(zhuǎn)化精神病學(xué)領(lǐng)域受益，并反映了這種方法在個(gè)體化診斷臨床工具方面的潛力。khT曹操讀書網(wǎng)

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楊志在接受鈦媒體App采訪時(shí)表示，他認(rèn)為這一研究成果也可以應(yīng)用診斷其他精神疾病。“我們的這項(xiàng)工作驗(yàn)證了，通過測(cè)量人在接近生活的場(chǎng)景下產(chǎn)生的腦活動(dòng)，我們可以測(cè)量腦的復(fù)雜功能，并據(jù)此對(duì)心理狀態(tài)和精神障礙進(jìn)行推斷。我們的另外一項(xiàng)研究支持了這種方法在反映個(gè)體差異時(shí)的可靠性。因此這個(gè)方法有望用于研究其他的心理健康問題，我們也正在開展一些相關(guān)研究。”khT曹操讀書網(wǎng)

對(duì)于本研究成果的局限性，楊志解釋稱，這一研究方法在解釋大腦活動(dòng)的個(gè)體差異方面的能力有限。我們測(cè)量的腦功能是高度復(fù)雜和整合的。這好比我們可以測(cè)量智商，但是無法很清楚地解釋究竟為什么一個(gè)人智商很高。接下來，團(tuán)隊(duì)將試圖通過一些措施，更好的解釋大腦系統(tǒng)或主體的行為狀態(tài)。khT曹操讀書網(wǎng)

據(jù)悉，這項(xiàng)研究是由中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金，上海市教委-高峰高原臨床醫(yī)學(xué)建設(shè)計(jì)劃等資助，上海市精神衛(wèi)生中心研究基金、以及TCCI轉(zhuǎn)化中心（天橋腦科學(xué)研究院和上海周良輔醫(yī)學(xué)發(fā)展基金會(huì)合作成立的上海陳天橋腦健康研究所）等機(jī)構(gòu)的支持。khT曹操讀書網(wǎng)

用老鼠的情緒表達(dá)佐證人腦的“情緒神經(jīng)元”

第二位演講者是德國(guó)馬克斯·普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所的娜丁·戈加拉（Nadine Gogalla）。她在研討會(huì)上分享了關(guān)于用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)獲取老鼠的情緒表達(dá)與神經(jīng)關(guān)聯(lián)，從而通過情緒發(fā)現(xiàn)人腦奧秘的研究故事。khT曹操讀書網(wǎng)

實(shí)際上，情緒的神經(jīng)生物學(xué)起源對(duì)研究人員來說十分神秘。科學(xué)家們?nèi)匀粵]有充分理解情緒是如何在人腦的復(fù)雜回路中出現(xiàn)的，只能通過理解如小鼠等動(dòng)物情緒的實(shí)驗(yàn)嘗試，從而探究人腦對(duì)于情緒的分析與表達(dá)。khT曹操讀書網(wǎng)

過去幾年，戈加拉博士和同事們通過一種AI 機(jī)器學(xué)習(xí)算法來分析小鼠的面部表情，用先進(jìn)的機(jī)器視覺技術(shù)在毫秒時(shí)間尺度上客觀和定量地對(duì)鼠標(biāo)面部表情進(jìn)行分類，識(shí)別出了諸如愉悅、厭惡和不適等情緒相關(guān)的面部表情，并佐證至人類的基本情緒，進(jìn)而深層研究人類大腦內(nèi)部情感體驗(yàn)區(qū)域——島葉（Insula）皮層的反饋，從而表明了“情緒神經(jīng)元”的存在。khT曹操讀書網(wǎng)

據(jù)悉，這一研究成果于去年4月3日登在了《科學(xué)》雜志上。khT曹操讀書網(wǎng)

“我們的工作提供了一種客觀的分析工具，它對(duì)于理解情緒的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制，識(shí)別物種特異性情緒以及確定個(gè)體之間的變異性是至關(guān)重要的。”戈加拉博士在本次研討會(huì)上表示，他們從這一研究中發(fā)現(xiàn)了情緒狀態(tài)的神經(jīng)學(xué)起源，這項(xiàng)工作可能有助于朝著一種更加普遍且基于演化的情感定義及其跨物種的神經(jīng)基礎(chǔ)邁進(jìn)。khT曹操讀書網(wǎng)

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實(shí)際上，與人類相似，當(dāng)小鼠嘗到了甜味或苦味，或變得焦慮時(shí)，它們的臉看起來完全不同。有了這種測(cè)量小鼠情緒的新方法，神經(jīng)生物學(xué)家將得以研究大腦中產(chǎn)生和處理情緒的基本機(jī)制。利用機(jī)器視覺，研究人員能夠可靠地將五種情緒狀態(tài)與小鼠的面部表情關(guān)聯(lián)起來：小鼠的快樂、厭惡、惡心、疼痛和恐懼，對(duì)于計(jì)算機(jī)算法來說，小鼠的每個(gè)面部表情和情緒是有明顯差異的。khT曹操讀書網(wǎng)

研究表明，小鼠的面部表情實(shí)際上不僅僅是對(duì)環(huán)境的反應(yīng)。它反映了觸發(fā)因素（trigger）的情感價(jià)值。戈加拉舉了個(gè)實(shí)驗(yàn)中的例子，當(dāng)口渴的小鼠舔糖水時(shí)，它們露出的表情要比飽足的小鼠愉悅得多，而嘗了非常咸的水的小鼠則表現(xiàn)出“厭惡”的表情。從這些實(shí)驗(yàn)和其它實(shí)驗(yàn)中，研究人員得出結(jié)論：脫離感官刺激，面部表情實(shí)際上反映了一種情緒的內(nèi)在特性。khT曹操讀書網(wǎng)

發(fā)現(xiàn)小鼠面部表情的主要好處是讓人類得以探索產(chǎn)生情緒的機(jī)制。論文顯示，大腦區(qū)域是島葉皮層（insular cortex），可以與動(dòng)物和人類的情感行為和情感感知相關(guān)。當(dāng)科學(xué)家們用雙光子顯微鏡測(cè)量單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，并同時(shí)記錄小鼠的情緒面部表情時(shí)，竟顯示出，人類島葉皮層的單個(gè)神經(jīng)元反應(yīng)與小鼠的面部表情強(qiáng)度相同，發(fā)生時(shí)間也完全相同。此外，每個(gè)神經(jīng)元只與一種情緒有關(guān)聯(lián)，即存在“情緒神經(jīng)元”這種觀點(diǎn)。khT曹操讀書網(wǎng)

線上研討會(huì)中，戈加拉博士表示，這一研究可以確信，情感也存在于孤獨(dú)的動(dòng)物身上，它們只是保護(hù)了自己的情感而已，所以說明動(dòng)物也有溝通和社交功能，情緒對(duì)個(gè)人或動(dòng)物來說是具有非常主觀和自我的功能之一。khT曹操讀書網(wǎng)

機(jī)器學(xué)習(xí)是臨床中重要醫(yī)療工具之一

10月8日凌晨的在線研討會(huì)上，華山醫(yī)院院長(zhǎng)、TCCI轉(zhuǎn)化中心主任毛穎教授發(fā)表演講，詳細(xì)分析了 AI、機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine learning，簡(jiǎn)稱 ML）等技術(shù)方法對(duì)于潛在的臨床實(shí)踐（即診斷、治療）神經(jīng)外科學(xué)中帶來的影響。khT曹操讀書網(wǎng)

毛穎表示，ML 的意義與人類大腦的學(xué)習(xí)模式是一致的，主要取決于經(jīng)驗(yàn)的積累、應(yīng)用和修改。而ML 不等于AI，他認(rèn)為，ML 不僅是 AI 的一部分，而且AI 中最重要的部分主要還有深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)，這些非常流行的精確學(xué)習(xí)技術(shù)方法，現(xiàn)在都屬于機(jī)器學(xué)習(xí)的范疇。khT曹操讀書網(wǎng)

隨著ML算法的發(fā)展和演變，其技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包括神經(jīng)外科在內(nèi)的醫(yī)學(xué)教育疾病診斷的術(shù)前計(jì)劃、互操作、導(dǎo)航指引等。例如，傳統(tǒng)的開顱手術(shù)耗時(shí)且有風(fēng)險(xiǎn)，而未來隨著裝配下一代AI技術(shù)的神經(jīng)外科職能機(jī)器人，神經(jīng)外科醫(yī)生將在手術(shù)中非常有效和容易實(shí)現(xiàn)手術(shù)，降低手術(shù)過程的風(fēng)險(xiǎn)。khT曹操讀書網(wǎng)

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據(jù)悉，毛穎教授是中國(guó)著名神經(jīng)外科專家，現(xiàn)任復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院院長(zhǎng)，還擔(dān)任中華醫(yī)學(xué)會(huì)神經(jīng)外科分會(huì)候任主委等諸多重要學(xué)術(shù)職務(wù)。khT曹操讀書網(wǎng)

具體來說，基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型，毛穎團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種 AI 腦腫瘤病理診斷系統(tǒng)。通過對(duì)300例確診病例的90000多張MRI（核磁共振）圖像進(jìn)行深度學(xué)習(xí)建立模型，這一系統(tǒng)最終的準(zhǔn)確率在85% 以上，并隨著病例數(shù)量的增加，該模型將得到改進(jìn)。此外，毛穎團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了一種新的算法系統(tǒng)，識(shí)別運(yùn)動(dòng)任務(wù)過程中不同腦區(qū)的時(shí)間順序，從而應(yīng)用于搭載腦機(jī)接口的患者，以及時(shí)規(guī)范大腦活動(dòng)。khT曹操讀書網(wǎng)

毛穎表示，機(jī)器學(xué)習(xí)方法為潛在的臨床實(shí)踐（即診斷、治療）提供了神經(jīng)外科醫(yī)生友好的醫(yī)療工具，而且還讓事情更簡(jiǎn)單，動(dòng)作更快，在神經(jīng)外科學(xué)中做出正確的決定。當(dāng)然，這其中大樣本、前瞻性、多中心化的數(shù)據(jù)是必不可少的。毛穎還認(rèn)為，未來常規(guī)臨床實(shí)踐中，都需要使用基于ML技術(shù)的方法手段。“最好的機(jī)器學(xué)習(xí)比臨床醫(yī)生表現(xiàn)更好。”khT曹操讀書網(wǎng)

不過，毛穎也指出，深度學(xué)習(xí)或 AI 技術(shù)依然基于條件經(jīng)驗(yàn)以及大數(shù)據(jù)算法支撐，目前仍處于弱人工智能階段，需要輸入大量高質(zhì)量數(shù)據(jù)，才能取得接近準(zhǔn)確的結(jié)果。但他相信，在不久的將來，計(jì)算機(jī)會(huì)變得越來越聰明，從而更好地幫助神經(jīng)外科醫(yī)生。khT曹操讀書網(wǎng)

“但老實(shí)說，用機(jī)器人替代神經(jīng)外科醫(yī)生是不可能的，依然還需要我們醫(yī)生來繼續(xù)做手術(shù)。”毛穎在研討會(huì)上回答主持人提問時(shí)表示。khT曹操讀書網(wǎng)

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他在演講中強(qiáng)調(diào)，現(xiàn)在 ML 技術(shù)，人類只能看到前方的一小段距離，距離完成類似登頂運(yùn)動(dòng)這樣的“全智能神經(jīng)外科手術(shù)流程”，還有很長(zhǎng)的路要走。khT曹操讀書網(wǎng)

（本文首發(fā)鈦媒體App，作者｜林志佳）khT曹操讀書網(wǎng)

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