星期二, 6月 19

研究大腦必須得先虛擬一個大腦

  最近德國科學家作了一項研究,其通過構建一個重度抑鬱症計算模型,來揭示重度抑鬱症對老年人的記憶和遠期記憶的影響。如果這個計算模型是正確的話,則表明重度抑鬱症可能會對老年人的短暫記憶甚至是長遠的記憶產生毀滅性的影響。

   引起我們關注的不僅僅是其對抑鬱症影響老年人記憶的關注,更在於其研究方式:建立大腦計算模型,即虛擬大腦。研究人員通過捕捉病人的大腦特徵,成功測試了其模型存儲和和回憶新記憶的能力。並且發現,在抑鬱症發作的時候,大腦模型中形成了較少的神經元。

  通過構建「虛擬大腦」來實現對大腦的研究,可能是當下最普遍也最妥善的方法。理論上來講,如果能夠做到真正地還原大腦,就可以揭示出大腦的奧秘,進而解決諸多疑難雜症。實際上,限制虛擬大腦功用的,正是模型完善度的不足。

  或許,是時候了解一下到底何為「虛擬大腦」了。

  人類非常想弄清楚關於精神和意識方面的內容,大腦可以說擁有著整個人體當中最複雜的運行機制。多年來,人類逐漸對身體的各個器官、組織的形狀、成分構成、具體功用有了明確的認知,卻唯獨在大腦面前仍然是一個謎。大腦十分脆弱。從結構上,大腦是在堅固的頭骨的保護下運作。所以研究活體大腦是一件爭議很大的問題,用拿病人來做研究,也存在未知風險的可能。

  所以科學家們會選擇對動物的大腦進行研究,以此試圖找到對人類大腦研究的啟示。但如果不是對人類大腦研究,成效又會如何?虛擬大腦可能是最好的解決辦法。

  目前來講,虛擬大腦主要有四種表現形式:3D打印模型、電腦虛擬模型、全息成像還原大腦場景和實驗室培養的大腦。


3D打印大腦:

  3D打印目前來講已經相當成熟,在醫療領域中,3D打印被廣泛用於各種手術的術前模擬當中。這樣可令手術可重複練習,而大大提高手術的成功率,降低風險。以目前3D掃描的技術精度,打印出來的大腦模型能夠精確地展現患者的血管和神經結構。難道這就夠了嗎?所以研究人員正在測試不同的材料,為3D打印的大腦添加觸覺。如果成功成功的話這個虛擬大腦就有可能存活了。


  而3D大腦存在的一個缺陷是,其可能由於算力的不足而導致對大腦的還原度不夠,比如一些細微的血管、神經等。那麼,提高模型的精度也就成為了3D打印大腦模型的重要工作。在這方面,德國尤利希研究中心的科學家們則利用了深度學習的方法來分析數千個超薄的大腦組織切片,然後在重新建立3D模型。


  人工已經能夠製造出大腦了?是的,這已經成為了現實。

實驗室培養大腦:

  美國俄亥俄州立大學的科學家們在實驗室裡培養出了第一個幾乎完全成型的人類大腦。這個大腦一厘米見方,其發育程度大約相當於5週的嬰兒。該大腦由體細胞被誘導才成為不成熟的干細胞之後通過編程為腦細胞生長。而英國的劍橋大學也培養出了在5個月長到4毫米可見的人造大腦,它擁有超過200萬個神經元。但這些人造大腦全都是沒有意識的。

  但是大腦又不同於身體的其他器官,一旦人造大腦產生了意識,那麼科學家們對它的研究也一定會再次遇到倫理方面的問題。在攻克疾病和倫理之間,人類就必須要做出一個選擇。

虛擬大腦:

  在電腦科學等領域,虛擬大腦則顯得更為科幻一點。

  比如在2013年,華盛頓大學醫學院、西班牙龐培法布拉大學和其他幾個歐洲大學共同完成了一個用於研究大腦解剖學構造如何幫助產生和維護休息狀態的大腦網絡的電腦模型。研究人員通過該模型來將大腦傷害和其他原因導致的大腦網絡損傷和記憶力、注意力等問題聯繫在一起進行研究。比如說,將中風等傷害加入到模型當中,來觀察部分細胞受到摧殘以後大腦功能的影響。

  研究結果非常令人滿意的,其觀察的模擬情況基本與人類差別不大。但是僅僅20分鐘的大腦模擬,就需要功率強大的電腦連續工作26個小時以上,可見要想利用電腦完全虛擬大腦活動,電腦的算力必須要足夠才行。


  最近德國、日本、挪威和瑞典的聯合研究小組就創造一種新的算法,百分百模擬了整個大腦的100億個神經元的互連。尷尬的是,目前即便是使用超級電腦也無法滿足該算法對模擬大腦的需求。據了解,即便是該算法的早期版本,研究人員們在超級電腦上也只實現了1%的神經互連。由此,很難想像要用電腦來實現對大腦的真正模擬還需要多遠的路遙走。

全息成像還原:


  所謂全息成像還原大腦,即是利用閃光來控制神經元,從而對大腦活動實現複製粘貼。利用全息投影來實現對神經元的控制,我們將能夠實現對感覺的複制。簡單來講,神經元成為了一種可以自由操縱的東西,比方說你總是怕痛,那就刪掉痛楚感覺;你不喜歡癢,那就刪掉痕癢感覺!甚至將記憶植入到腦袋裡。


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