《科技与金融》高端访谈栏目将连续多期对多位高层次外国专家进行专访，为产业的技术升级、产业转型把脉献策，探讨产业发展及国际合作等方面的机遇和挑战，为读者带来国际合作的经验借鉴与启发。

失明者重见光明，失语者重新与外界建立沟通渠道，瘫患者重新站立行走……当前，在科学家们的研究下，“脑机接口技术”正在为人类社会赋予越来越多的可能性。

近日，西湖大学先进神经芯片中心正在与自然语言处理实验室合作开展一项关于中文解码的脑机接口项目。不久后，该实验室的脑机接口技术可以将中文进行解码学习，让不能开口说话的人将脑活动转化为语音或文字，不开口就能“发出心声”。本期，《科技与金融》专访西湖大学讲席教授 Mohamad Sawan，为我们解析脑科学领域未来的无限可能。

本文首发于《科技与金融》2023年8月刊

采编︱张孟月 翻译丨靳松

校对丨吴政希 图丨由受访者提供

Q：《科技与金融》记者

A：Mohamad Sawan

“神经芯片是人类深入理解大脑的最佳途径”

Q：您于何时首次来华？您为什么从加拿大来到中国继续从事教育和科研事业？

A：2005年，我受邀随魁北克科技代表团首次到访中国。2006年，我在上海交通大学（以下简称“上海交大”）担任客座教授，与上海交大就脑机接口技术（Brain Computer Interface，BCI）的科研项目和课程教学展开合作，所以每年都要来中国几个星期。我的团队从一开始就专注于智能医疗设备在脑机接口技术上的应用，而非休闲娱乐领域。

我在加拿大蒙特利尔生活了将近30年，度过了大部分的职业生涯，我开始问自己，趁我还有精力时还能做些什么。这时，我的视野转向了中国。因为与中国高校的合作，我一直关注着中国的动态，中国正在快速发展，毫无疑问，“未来的许多可能”都将在中国实现。

2018年，我萌生了到中国工作的想法，希望能为中国科研和教育事业的发展添砖加瓦。这时，新型研究型大学—— 西湖大学向我伸出了橄榄枝，我便在2019 年全职加入了西湖大学。

Q：多年来，人类在不同的技术上有了快速的突破，但对大脑的认知还十分有限。对大脑的研究究竟难在哪里？您当前的研究项目进展如何？

A：人类大脑的复杂性被低估了。尽管人脑体积很小，但极为复杂，因为其完美和复杂，还没有一门科学能够全面认识人脑。人脑的复杂性在于其动态变化，在漫长的历史长河中，并不存在完全相同或相近的大脑。人脑中的神经细胞多达800亿个，这些神经细胞会通过化学离子发生数百万亿的连接。此外，当今并没有有力的工具可对人脑进行充分研究以获取更多的细节，致使人们对大脑知之甚少。

当前，我们团队的研究项目聚焦于脑机接口技术，在脑机接口芯片、植入式系统以及神经解码等领域都有深入的研究。我从事脑机接口技术研究的愿景是深入理解神经疾病的诊断、治疗和预测的方法，我的四大研究对象分别是失明、癫痫、中风、成瘾。

以失明为例，视神经中枢通常位于大脑的视交叉部位。人类能看见是因为外界图像信息经过视网膜的视觉神经传递到大脑皮层的视觉区域，要理解视网膜传递了什么信息，就需要借助于神经元记录，而对失明的治疗和预测也可以利用神经技术。

基于脑机接口技术治疗失明

大脑不停地通过手指、眼睛、鼻子等来收集信息，最终对收集到的信息进行决策。我们模仿人类视网膜网络研发了传感器来模仿人的视觉处理，并将处理结果以电刺激的方式传输给大脑，在大脑中形成模拟的视觉，这是我们目前的研究之一。

除了脑机接口，我的另一个研究方向是利用最新科技研发类脑芯片，其通过模拟大脑神经元的形态结构和电学特性，实现了高度并行、低功耗的计算能力，并具备模式识别、自主导航和脑机接口等多个应用前景。

Q：脑机接口和类脑芯片的研发是您主攻的两大研究方向。一直以来，中国半导体芯片在设计与制造上都与世界先进水平有很大差距。在您看来，制造芯片的最大挑战是什么？中国距离芯片自给自足还有多远？

A：中国要实现芯片自给自足可谓任重道远。一直以来，中国与西方国家保持强力合作，互利共赢，可能认为发展芯片产业并非必要选项。现在，中国意识到自己在芯片产业的起步靠后，应当奋力直追，只是追赶过程并非一蹴而就，不仅需要锚定长远目标，还要付出一定代价。事实上，芯片制造是一个投入巨大的工程，一个公司研发制造一款芯片需要数亿人民币的投入，而且每隔3到4年芯片就要更新迭代，因为电子产品的尺寸在不断缩小。

尽管需要数年时间，但中国已将芯片制造纳入国家战略之一，芯片制造公司和基金也许会在5年后大量涌现。问题在于，中国工程专业的部分大学老师并不教授本专业的本科生如何制造芯片，这不利于培养高水平的芯片制造人才。

我认为中国可以制造出满足自身需求的芯片，因为中国有强大的人才支撑，关键在于掌握芯片制造的知识，同时应主动传授这些知识，并组建研发人员和工程师团队来合力制造芯片。组建这样的团队通常需要5到8年的时间。

在加拿大，如果要招募芯片工程师，会收到多份来自世界各地的简历。如果中国要在全球招募芯片工程师，情况则有所不同，因为很多外国人还不了解中国的生活品质正在快速提升。中国要吸引世界各地的专业人才需要更多、更长时间的对外宣传。

Q：您和团队研发的神经芯片首次在国际上采用植入式系统造福神经受损患者。您为什么执着于研发神经芯片？

A：我的研发项目都是基于我的知识，而不是贸然行动。我明白有些神经芯片应用的局限所在，以及应如何突破限制。我之所以研发神经芯片，是因为它是人类深入理解大脑的最佳途径。

以对神经递质行为的测量为例，神经递质是神经元之间或神经元与效应器细胞之间传递信息的化学物质。在神经元信息传递过程中，当一个神经元受到环境或多种神经元的刺激时，突触前膜囊泡中的神经递质释放到突触空间，作用于突触后膜的相应受体，将神经递质信号传递给下一个神经元。

脑机接口中的植入式神经芯片

我想研发工具来观测神经递质并对其进行研究，探究年轻人和老年人的神经递质有何不同，探究阿尔茨海默症的病因，帮助阿尔茨海默病人。我相信通过对神经芯片的研发，借助于侵入式脑机接口，可以逐渐了解问题的答案。

举个例子，癫痫发作是由于大脑神经元过度放电，凭借侵入式脑机接口，我们可以实时监测神经元的活动情况，借助人工智能刺激癫痫病灶所对应的大脑区域，防止癫痫发作。

成瘾问题同样适用，例如当我想喝咖啡时，我的大脑就会很兴奋，借助脑机接口的闭环实时监测就可以锁定大脑的兴奋区域，利用微刺激抑制我对咖啡的欲望。我们的脑机接口研究可用于神经疾病的诊断、治疗和预测，这些都依赖于神经芯片，因为神经疾病没有合适的药物，也无法进行手术。

“侵入式脑机接口才能解决大脑相关问题”

Q：您提及的脑机接口技术究竟是什么？全球范围内，脑机接口技术当前的技术进展如何？

A：脑机接口研究已经有将近50年的历史，现在突然成为热门话题，是因为新冠疫情后，人们越来越认识到大脑的重要性。

实际上，脑机接口的发展可以追溯到1924年脑电图的发现。脑电图为人类大脑活动的研究提供了全新的可能性，但对脑机接口没什么实质性帮助，毕竟当时“机”的部分还没起步，只是对“脑”有了一些探索。

“脑机接口”一词真正诞生于20 世纪70年代，加州大学洛杉矶分校计算机科学家Jacques J.Vidal （雅克·维达尔）创造了脑机接口 （Brain-Computer Interface，BCI）一词，将其用于基于视觉事件相关电位的脑机接口系统中，并给出了沿用至今的标准定义。

脑机接口，是指在人或动物的大脑与外部设备之间创建的直接连接，从而实现脑与设备的信息交换。当人类思考时，大脑皮层中的神经元会产生微小的电流，人类进行不同的思考活动时，激活的神经元也不同。而脑机接口技术可以靠直接提取大脑中的神经信号来控制外部设备，它会在人与机器之间架起桥梁，并最终促进人与人之间的沟通。

脑机接口在世界范围内已有广泛应用，但完美的脑机接口尚不存在。现有的脑机接口技术可以记录、分析大脑内部信号，科学家可以编码或者刺激大脑来阻止某些疾病的发生或者重建大脑的运动功能。例如，对于帕金森或者癫痫患者的辅助治疗可以使用深度脑刺激的方式。

当下，脑机接口可以分为三种：非侵入式、半侵入式、侵入式。很多公司都在做非侵入式的脑机接口设备（如可穿戴设备），应用于监测和分析与人体健康相关的参数，如睡眠质量、疲劳程度、心血管活动等。

据我所知，中国目前已经有很多脑机接口设备制造商和投资者，大部分都是做非侵入式脑机接口设备，比如脑电图、心电图以及EXG多参数生物信号采集系统等。虽然非侵入式脑机接口成本更低，也可应对常见的健康问题，但无法解决任何与大脑相关的疾病。要解决大脑相关的问题，依然需要侵入式脑机接口，尽管它的研发更加复杂，需要更多的资金和时间投入。

当前，侵入式脑机接口的公司以Neuralink、Synchron为代表，马斯克的Neuralink 获得FDA批准在人体开展临床研究引发关注和热议，但要判断其成功与否还为时尚早。

Q：脑机接口技术一共有三种形式，您为什么选择侵入式？

A：我之所以选择侵入式脑机接口，是因为它能将电极植入到大脑的灰质，获取更高质量的神经信号，以得到更多大脑内部的信息来判断脑部是否有肿瘤或病变。

外科医生将根据这些信息进行决策：如果大脑皮层存在小毛病，可以通过毫米级别的外科手术治疗，但如果大脑内部有问题，则无法依靠手术解决。此时，可以将微型神经芯片植入脑内，在大脑表层放置电极，这种形式的脑机接口可以用来观测大脑内部的问题并解决问题。

Q：相比非侵入式，侵入式技术虽然获取信息更精准、效果更明显，但也有明显代价：开颅植入电极具有巨大风险，而且由于异物侵入还可能会引发免疫反应和疤痕组织，从而导致电极信号质量衰退甚至消失。采用这种方式的风险和成本都较高。据报道，Neuralink公司接受了芯片植入的23只猴子已经有15只死亡。您和团队如何尽量避免风险，保障患者的安全同时能达到良好的治疗效果？

A：猴子与人类有相似性，但猴子在用于实验前需要时间学习。通常，人们需要训练猴子至少一年，其才能用于实验。我不清楚为什么Neuralink实验用的猴子会死亡，如果猴子没有得到很好的照料，比如电荷密度过大、超过实验标准，就会杀死猴子非常脆弱的神经组织，因此人类需要尊重猴子的神经系统。

我只是举个例子，并不是说Neuralink 实验用的猴子死因等同于此。鉴于安全性，美国FDA不会轻易批准脑机接口的人体实验。在此之前，申请者需要有充分的研究来证明动物实验有足够好的实验结果。“ 足够好 ”意味着如果25个动物参与实验，那么至少24个应该在实验后存活，且至少23个展现良好的实验结果。

再如，要做神经刺激，大脑就要被施予电压，这个电压要足够安全。在大脑中植入电极也要确保安全，如果其发生泄露，大脑的神经系统就会受到伤害，严重危害人体健康。诸如此类的安全清单很长。我们很清楚其风险性，有鉴于此，我们正在研发安全且功能强大的神经芯片。人工智能所需的信息存储于大型存储器、硬盘或者云端。

不过，想运用人工智能并不意味着要把大型存储器或硬盘也塞进大脑。因为植入大脑的神经芯片是个非常微小的，带有多通道模拟前端、微处理器、读写存储器以及通讯和I/O接口的单芯片系统，它足以胜任人工智能所需的信息传递工作。

Q：您带领团队积极开展科研合作与产业化探索，能否与我们分享一个科研成果转化的案例？

A：我认为大学教授和研究员倾尽一生做科研，应该以将自己的科研成果转化应用并造福人类为目标。有些智慧医疗设备的科研成果可以很快转化和应用，但脑机接口的科研成果转化并非一日之功，可能需要20年甚至更长时间。

科研人员要花费很多时间研究、做动物实验、做人体实验，整个过程不仅费时费力，而且需要大量资金支持。根据我在加拿大的经验，做一台脑机接口设备的人体实验，仅一个案例就需要投入1500万人民币，而整个过程需要20~30个案例。

我的团队与浙江省疾病预防控制中心、杭州市疾病预防控制中心以及浙江大学医学院附属第二医院展开科研合作，有两个科研成果转化案例，其一是在2021年成功开发了高灵敏度生物传感器及其自动化高通量现场快速检测系统，其具有通量高、速度快、灵敏度高、成本低、机器人全自动检测等优势，有望在大规模人群筛查方面发挥重要作用。

其二是将脑机接口应用于治疗失语症患者，它可以将失语症患者的思维转化成语言。我们与医院的专家和人工智能专家合作，进行该领域的研究以及神经芯片的研发，转化过程中有部分已经取得成功并可以产业化，有部分还处于研发阶段。此外，我还和博智林机器人公司合作研究脑机接口在治疗中风方面的应用，目前仍处于研发阶段。

“我教学生的首要原则是学会说‘不’”

Q：作为智慧生物医疗器械领域的国际知名专家，您对中国生物电子医学的发展有何建议？

A：首先，中国需要在大学本科阶段加大对芯片设计以及生物电子医学的教育，鼓励年轻人勇于创新，敢于提出自己的解决方案。因为研究对象极为复杂，所以师生都需要不断深化认知，了解限制因素。

其次，协作也很重要。生物电子医学研究融合多学科知识，包括数学、物理学、生命科学、生物学、微生物学、生理学、解剖学等等。同时，工程学也是重要组成部分，芯片研发涉及到半导体、机械、电子等。研究人员无法单打独斗，更不可能速成，必须协作，寻求互补和双赢。

Q：请依据您多年的科研和教学工作经验，对中国的科研学风建设和青年人才培养提出建议。

A：对学生而言，老师教育的方式很重要。当中国学生来到我的团队，无论天资聪颖或是资质平平，我教他们的首要原则都是学会说“不”。即便我是位有30年教龄的教授，也会有犯错的时候，假如我犯了错，学生没发现或者发现了但选择忽略，这都是不对的。 所以，我希望教会学生指出错误，以及在发现问题后如何沟通、如何突破、如何向教授表达强烈的求知欲。事实上，这些品质应该从中学阶段就开始培养，进入大学才开始已经为时晚矣。

对大学里的科研人员而言，保持专注非常重要。其即使在大学当上助理教授，也应意识到自己的渺小，应当保持专注。以脑机接口科研工作为例，一个助理教授也许只能负责监测，可即便如此，也应该把工作做到最好，然后才能一点一点地拓展自己的研究领域。

保持专注，意味着不要时刻想着自己的科研成果能否转化或赚钱，自己能否晋升为研究员，能否成为国家的栋梁，而应拼弃杂念、心无旁骛。如果不能保持专注，尽管花费了时间和精力，但可能做了很多无用功，更谈不上成为自己研究领域的佼佼者。

（西湖大学工学院副研究员杨杰对本文编校亦有贡献。）

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