誕生以來，電腦那遠超人類的計算能力便成了美軍眼中極具潛力的未來武器，在海灣戰爭中，美軍將衛星和情報人員收集的伊拉克軍隊信息和己方信息輸入電腦進行分析、對戰場局勢進行推演，事后證明，電腦不僅有著極高的推理效率，對戰場局勢的推演也與實際戰況相差無幾，美軍初次在戰爭中嘗到了電腦算法推演戰爭的甜頭，這一新式戰法也因此被稱為算法戰。進入新世紀后，盡管戰場局勢更加撲朔迷離，但硬件和軟件突飛猛進的發展使得算法戰前途更加光明——上世紀還沒有電腦可以打敗頂級圍棋高手，而今“阿爾法狗”卻能吊打人類高手，這就是電腦算法的威力，面對計算推演能力更強的電腦，人腦還能取勝嗎？
電腦性能和合適的算法是算法戰的根本，在電腦剛剛誕生的上世紀40年代，它既運行不了什么算法程序，也無法高速運算，但到了今天，以我國“神威太湖之光”超級計算機為例，其每秒可運算12.5億億次，主要用于極端氣候預測和物理、醫學領域，性能超出美軍上世紀海灣戰爭算法戰使用的電腦百倍不止。反觀軍隊發展和戰術演變，不過是天上多了五代機，海里多了“宙斯盾”，地上爬的依舊是三代主戰坦克，戰場的復雜程度依舊在現代電腦及其算法的“掌控”之中。
與傳統的沙盤推演相比，算法戰只要有了雙方足夠的情報輸入，就能以更快的效率得到一個誤差較小的結果，對戰爭預案的準備和排查戰爭方案中的不足益處頗多，只需調整數據，就能隨心所欲地得到想要的戰爭推演結果，以比人腦更高的效率推算戰爭進程和結果，亦能最大程度地避免人為因素的干擾。以現代海戰防空為例，面對敵人來襲的反艦導彈，發射什么導彈防御，艦隊各艦如何分配目標，近防系統的使用等等，這些都離不開電腦算法，否則，不等指揮官分配好任務，敵方導彈便已呼嘯而至。
但成也蕭何敗蕭何，信息詳細程度決定了算法推演的準確程度，如果輸入的信息不準確或者采用了敵方故意暴露的錯誤情報，算法戰將變成送命戰，畢竟，電腦的世界里只有是或否，人心的狡猾多變不是計算機可以識破的，這個時候，人腦的分析反而可靠性更高。
電腦相對于人腦的超強計算能力毋庸置疑，算法戰也將在戰爭中進一步滲透，在戰場愈發信息化的當下，算法戰的優勢和前途可見一斑。而算法戰的不足也應該得到重視——對信息的依賴和錯誤信息排查能力的缺失，這些，都需要人的工作以幫助電腦在算法運行前獲得更加準確的信息。（利刃/DY）
技日報記者 劉園園
“科學狂人”埃隆·馬斯克總是能冷不丁地搞個大新聞。
北京時間7月17日，馬斯克創立的Neuralink公司在美國舊金山發布了一款腦機接口系統。在馬斯克的光環加持下，這款充滿黑科技味道的設備，立馬引發人們對科幻場景的脫韁想象：黑客帝國要來了？還是阿麗塔要成真了？
別激動，真實情況是，腦機接口技術大多仍處于實驗研究階段。馬斯克發布的腦機接口系統離真正落地，尤其是臨床應用，還有一段距離，距離實現黑客帝國和阿麗塔也很遙遠。
在大腦中植入幾千個電極
先來看看Neuralink公司發布的腦機接口系統是怎么回事。
簡單來說，這款系統就是用長得像縫紉機一樣的機器人，向大腦中植入超細柔性電極來監測神經元活動。整個系統包含3000多個電極，它們與比頭發絲還細的柔性細絲相連。
“縫紉機”機器人可在神經外科醫生的指導之下進行植入操作。Neuralink公司表示，這種系統可以一次性記錄1500個大腦神經元的數據。
據外媒報道，“縫紉機”機器人已在19個動物中植入電極，87%是成功的。馬斯克還透露，該系統已經在猴子身上進行測試，實現用猴子大腦控制電腦。
發布會同期公布了一份介紹該腦機接口系統的論文，由馬斯克和Neuralink聯合署名，不過據報道這篇論文并未經過同行評議。與此同時，Neuralink在發布會現場并未展示具體的大腦神經元數據。
這家公司的計劃是，假如能獲得美國食品藥品監督管理局（FDA）批準，它將在2020年第二季度進行人體試驗。屆時將在人類志愿者的頭部鉆4個直徑8毫米的洞，將細絲植入大腦，它們會把神經元信息傳輸給位于耳朵后面的裝置中，再把信息傳輸給電腦。
硬件平臺確實可圈可點
其實，Neuralink公司公布的腦機接口技術，國內外都有不少團隊在研發。
“腦機接口是讓大腦和機器直接溝通的一種系統，它可以讓人腦與機器互聯，人機之間的信息傳遞或通訊控制會變得更加方便。”中科院半導體研究所研究員王毅軍接受科技日報記者采訪時說。
在王毅軍看來，此次公布的腦機接口系統，更加強調的是硬件平臺。王毅軍介紹，此前我們看到的讓殘障人士利用腦機接口設備來控制機械臂的人體試驗，大多使用的是美國布朗大學研發的BrainGate系統。
“Neuralink公布的腦機接口系統，與BrainGate相比，在通道數量和創傷程度兩方面有較大改進。”王毅軍說，所謂通道數量就是對神經元信息的采集點，Neuralink采用柔性細絲的方式實現幾千個通道，而BrainGate采用的電極陣列則一般只有幾十到上百個通道。
王毅軍認為，從電極、電極植入、信號采集以及整個系統集成來看，Neuralink的腦機接口系統“對腦機接口硬件平臺是比較大的突破”。
不過也有不同觀點。賓夕法尼亞大學神經科學系科丁實驗室社交媒體賬號評價說：“沒有什么革命性進展，只是包含了一系列非常有創意的想法。”
“Neuralink腦機接口系統的主要進步，一方面是設計了柔性的高密度電極，另一方面是設計了植入電極的機器人設備。”博睿康科技有限公司（Neuracle）是國內一家實現腦機接口自主產業化的公司，該公司總經理黃肖山在接受科技日報記者采訪時說，至于Neuralink在發布會上展示的進行神經信號采集的芯片，從參數對比來看，與業界其他腦機接口芯片并沒有顯著優勢。
瞄準“終極目標”的設計方案
黃肖山在接受科技日報記者采訪時，用“極具挑戰”來形容馬斯克公布的腦機接口方案。
“這個方案就像馬斯克提出的把人送上火星一樣，是瞄準一個終極目標來設計的。” 黃肖山說，這個終極的目標就是，通過在大腦中植入成千上萬的電極，精準監測大腦單個神經元活動，最終破解大腦的神經機制。
Neuralink公司表示，這款腦機接口系統可以用來進行閉環神經調控，也就是既可以進行神經信號調控，也可以進行腦電刺激，從而用來診療癲癇、抑郁癥、帕金森綜合征、老年癡呆癥等一系列神經系統疾病。
“但是，這種設計路徑對于解決特定的神經系統疾病是不是必要還有待探討，然而對于最終破解大腦神經機制卻是必要的，所以它目前看來并非完全按照解決神經系統疾病的需求設計的。” 黃肖山告訴科技日報記者，該方案的好處是，可以把各種各樣的相關技術進行很好的集成，快速推進大腦神經機制的破解。
王毅軍也認為，目前來看Neuralink公司的腦機接口系統更像一套通用的平臺工具，既可以用來診療神經系統疾病，也可以用來實現通訊控制，又可以用來進行神經科學研究。可以根據具體用途來確定電極該植入大腦的哪個區域。
2020年真能開展人體試驗？
提到Neuralink公司將在2020年第二季度進行人體試驗的計劃，《麻省理工技術評論》官網評價：“這個時間表相當野心勃勃，但至少可以這么說：可能性不太大。”
黃肖山也認為，正是因為采用了比較激進的設計方案，Neuralink的腦機接口系統短期內實現落地應用難度更大，距離人體試驗也有一定距離，不過其人體試驗仍值得期待。
“不管是高密度的電極采集，還是這樣的手術方式，都是FDA此前沒有批準過的。” 黃肖山分析說，美國布朗大學研發的BrainGate腦機接口系統從申請、驗證，到獲得FDA批準進行人體試驗經歷了很長時間。
黃肖山認為，作為一種醫療器械，Neuralink的腦機接口系統在做動物實驗時，植入成功率需要做到更高，而且在植入后需要更長時間來驗證系統的安全性。
科技日報記者了解到，腦機接口分為無創和有創兩大類。無創方式，比如戴在頭上的腦電帽，無需開顱，直接使用腦電帽上的電極在大腦頭皮采集神經信號，更適于普通人用于娛樂和健康領域。有創方式，會對大腦造成一定損傷，但可以更加精準地監測神經元活動。
不過并非所有的有創腦機接口方案都像馬斯克的這么“激進”。
黃肖山透露，目前國內已有公司和多家三甲醫院進行合作，研發一種同樣可用于診療神經系統疾病的腦機接口設備。但與Neuralink的腦機接口系統不同之處在于，這種腦機接口設備在應用時不需要開顱，只需要局麻微創手術，把設備放到大腦皮下組織，從而降低感染風險。此外，這家公司還在研發新型無創腦機接口中風康復治療方案，目前已取得初步的臨床預實驗治療效果。
談到馬斯克在發布會上強調的人機融合，黃肖山表示十分看好這一理念。“腦機接口除了用于診療疾病，發展到最后一定會實現人機融合，將人的智能和人工智能融合在一起。”黃肖山說。
“這是一個時間上的問題。隨著腦科學研究的不斷發展，腦機接口技術也會有非常大的進步和突破。”不過王毅軍認為，目前來看，實現真正的“腦機融合”可能還需要很長一段時間。
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近日，麻省總醫院（MGH）的研究人員通過一臺超級7T核磁共振掃描儀（MRI），對一名死于病毒性肺炎的58歲女性大腦進行近5天的掃描，獲得了迄今為止最為詳細的完整人類大腦三維圖像。
研究人員對完整靜止大腦標本進行 100 多個小時 7T（特斯拉，磁感應強度單位）強度的核磁共振掃描，才獲得了這些高分辨率圖像，展現了包括杏仁核在內的大腦結構的生動細節，為科學家們更深入地理解與創傷后應激障礙等疾病相關的解剖學細微變化提供了幫助。
研究人員表示，這些數據集提供了一個前所未有的三維人類大腦神經解剖學視圖。為了優化該資源的效用，研究人員將數據集轉換為標準立體定位空間，并將完整大腦圖像的相關視頻以及底層數據集公開發布，以促進更多研究人員對人類大腦解剖在健康和疾病方面的理解，以及在教育和臨床中的應用。相關成果于 5 月 31 日在 bioRxiv.org 上以預印本的形式發表。
“我們從未見過如此完整的大腦，這絕對是史無前例的。”沒有參與此項研究的西奈山伊坎醫學院電氣工程師 Priti Balchandani 評價道。
以人體檢查為例，先來了解一下核磁共振成像的原理。
將人體置于特殊的磁場中，用無線電射頻脈沖激發人體內氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發出射電信號，并將吸收的能量釋放出來。體外的接收器可以監測這些能量，經計算機處理獲得圖像，就形成了核磁共振。
核磁共振成像所獲得的圖像非常清晰精細，同時，核磁共振也不需要注射造影劑，對人體無電離輻射。除此之外，核磁共振還可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像。
核磁共振掃描儀的磁場強度越大，獲得的圖像分辨率越高，但被觀察組織的溫度也會升高。上世紀 70 年代中期，第一臺應用于人體的核磁共振掃描儀問世，當時許多科學家認為 0.5T 將是核磁共振的最大磁場強度（ 相比之下，地球的磁場只有0.00005T），因為他們認為活體組織的離子導電性將阻止無線電波穿透人體。
不過，到了上世紀 80 年代，就出現了臨床應用的 1.5T 核磁共振掃描儀，如今，大部分醫院使用核磁共振掃描儀磁場強度為 1.5T 或 3T 。
1999 年，第一臺場強高達 7T 的用于科研的核磁共振掃描儀問世，之后又有很多高強度 MRI 陸續在全球幾十家大學和研究機構裝機，目前，世界上最強的磁共振儀是美國國家強磁場試驗室里的 21.1T 核磁共振設備，不過，這個最強設備內部空間直徑只有 10.5 厘米，因此無法用于人體研究。
圖 | 使用3T（左）和9.4T（右）核磁共振掃描儀的大腦成像對比（來源：Rolf Pohmann/Max-Planck-Institute for Biological Cybernetics）
7T 及更強的核磁共振掃描儀在進行腦成像時，分辨率可達到 0.5 毫米以下，這足以分辨人體大腦皮質區里的功能單位，甚至可以讓我們有機會了解活體大腦神經元細胞之間的信息流動情況，為非侵入的精準醫學奠定了基礎。關于磁共振成像的發現也于 2003 年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。
不過，這些超級設備，每一臺都價值數千萬美元甚至更高，建造和組裝這么一臺高場強的核磁共振設備也是一個巨大的挑戰，之前幾家機構光是準備使用這種核磁共振掃描儀做動物實驗，就花費了數年時間。在一臺超過 10T 的核磁共振掃描儀中進行人體掃描成像，相當于在一個四米長的管狀機器中，周圍被 110 噸的磁體和 600 噸的鐵屏蔽層環繞。
圖 | 一臺 10.5T 核磁共振設備被運送到明尼蘇達大學磁共振研究中心（來源：University of Minnesota）
2017 年，美國食品藥品監督管理局（FDA）批準了首臺應用于臨床成像的7T核磁共振掃描儀，這也標志著 7T 核磁共振成像設備不再僅應用于科研目的，其巨大的臨床應用潛力將改變神經退行性疾病如阿爾茨海默病、帕金森病等疾病的發病機理、早期診斷、治療方案確定以及治療效果評估上，并在神經、血管、腫瘤、骨關節等多個方面帶來全新的突破性進展。
想要使用 7T 及更強的核磁共振掃描儀診斷和研究大腦疾病，還面臨著一些棘手的問題，包括活人無法忍受長時間的核磁共振掃描，以及活人大腦的不自覺活動。比如一個人動動腳趾頭，大腦也會跟著動，甚至那些來自呼吸和血液的運動，也會造成大腦圖像模糊。
為了獲得一份完整且詳細的大腦三維圖像，波士頓麻省總醫院及其它地方的研究人員，將目標鎖定在一名死于病毒性肺炎的 58 歲女性大腦標本，其大腦重達 1210克（正常范圍 1200 至 1500 克），死后 14 小時一直固定在 10％ 的福爾馬林中。
圖 | 體外核磁共振成像的人腦標本，下方（a）、上方（b）、右側（c）和左側（d）角度（來源：B.L. EDLOW ET AL/BIORXIV.ORG 2019）
而且這個來自捐獻的大腦樣本被認為是健康的，因為該女性沒有神經系統疾病病史，死于非神經病因。
在掃描開始之前，大腦標本已經在固定劑中保持了 35 個月，之后研究人員將大腦標本放入一個定制的球形聚氨酯盒子，以讓大腦保持靜止并讓干擾的氣泡逸出。
然后，牢固包裹的大腦進入一臺7T超強核磁共振掃描儀中，進行了長達近 5 天的掃描成像，獲得了體外完整人腦標本前所未有的 100 微米分辨率空間圖像。
圖 | 皮質下神經解剖學描述，腦干、內側顳葉和小腦前部的放大圖（來源：B.L. EDLOW ET AL/BIORXIV.ORG 2019）
研究人員使用不同的翻轉角（FA15°、FA20°、FA25°、FA30°）來生成多個合成體，每個合成體提供了不同的組織對比度。掃描的執行時間超過 100 小時（每個翻轉角約 25 小時），生成一個超過 8TB 的數據集（每個翻轉角度約 2TB），然后通過專門的計算工具來進行離線 MRI 重建和合成體創建。
研究人員表示，在尸檢標本中進一步推進這項技術“讓我們知道了什么是可能的”。這些詳細的大腦圖像有助于增進研究人員對人類大腦解剖在健康和疾病方面的理解，幫助找出難以發現的大腦異常，包括昏迷和抑郁癥等精神疾病。