聽國內外最新科技進展：腦機接口、光子晶片、太陽系｜書展9

8月18日，上海科協大講壇聚焦國內外最新科技進展

動物倫理：藥物和疫苗研究依賴於動物研究，需遵循3R原則

體細胞克隆猴「中中」和「華華」的誕生讓中國在非人靈長類動物體細胞克隆上領跑世界。代謝性疾病、腫瘤、免疫缺陷……體細胞克隆猴的成功，也將讓人類向攻克這類疾病更近一步。然而，實驗動物科學領域內關於倫理的問題也不斷引發國內外的廣泛討論。

體細胞克隆猴

對於幫助人類成為萬物之靈的「朋友」來說，人們對動物福利的關注只有短短的100多年。從1822年英國國會通過《禁止虐待家畜法案》（馬丁法令）開始，動物自身的權益及相關事宜才受到越來越多的關注。在中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心研究員孫強看來，人類與實驗動物如小鼠、大鼠、狗和猴等的基因是高度同源的，同時動物和人類局有相同的器官系統，並以大致相同的方式執行相同的任務，這使它們能夠成為模擬人體的有效模型。現代醫療技術如麻醉、外科手術、器官移植、輸血、疫苗、抗生素和胰島素等都是在動物實驗基礎上建立和完善的, CT和MRI掃描技術也是依賴動物研究（非人靈長類）建立起來的，而獸醫診斷和治療技術等同樣需要動物研究。

孫強舉例，1900年至1916年間不斷的動物實驗嘗試，才使得輸血成為今天的常規治療或輔助治療手段，這些早期的實驗主要是在狗身上開展的；弗萊明1928年發現了青黴素的抑菌作用，但還沒發現該藥能救命，直到1940年弗洛裡和錢恩開展了小鼠實驗，才真正開啟了抗生素時代。青黴素的出現極大減少了二戰時傷兵的死亡率。產後敗血症也從10萬之分190下降到10萬之分6；而腦脊髓灰質炎疫苗研發和生產都離不開猴子。

1928年，弗萊明發現了青黴素的抑菌作用

對動物而言，寵物、牲畜的藥物和疫苗同樣依賴於動物研究。如接種炭疸和牛瘟以及豬丹毒疫苗，每年可拯救了超過1億隻動物的生命；五分之一的牛會感染巴氏桿菌而導致出血性敗血症，通過450頭小牛的動物實驗研發的疫苗目前已經給超過1億頭牛接種，保護了至少2000萬頭牛。因此，為了人類和動物的生存與健康，無論過去、當下還是未來，動物實驗都是不可或缺的。

當然，科研人員和實驗動物從業者在動物實驗中會嚴格遵守動物實驗倫理。孫強將之概括為倫理審查的3R原則（Replace、Reduce、Refine），即替代、減少和優化的原則。「如果實驗可以不用動物做，就儘量用體外培養細胞；或用低級動物代替高級動物，小動物代替大動物，用組織學、分子生物學、人工合成材料、信息技術等方法替代動物實驗；在必須使用動物時，通過改進條件，避免或減輕給動物造成的與實驗目的無關的疼痛和緊張不安的科學方法。我們所有的實驗都會經過單位倫理審查委員會審查，看是否遵循了3R原則。」

實驗動物設施已經從普通環境、屏障環境和隔離環境發展到獨立換氣淨化籠具

實驗動物福利涵蓋了實驗動物從出生到死亡的整個過程，包括實驗前滿足動物的生理、心理和行為需求，保證動物健康快樂的生活，實驗後為其「養老送終」等。如愛因斯坦所言：「對動物的人道是人類所繼承的最高貴的美德，只有關懷到所有感知力的生命時，我們的道德才能提升到最高的層次。」因此，對科學技術進步與實驗動物福利的探討將是人類社會發展中無法規避的主題。

腦機接口：無創/微創植入、長期在體等關鍵技術亟需解決

1969年，華盛頓大學醫學院利用猴子進行腦電生物反饋的研究；1998年，美國科學家Philip Kennedy第一次將腦機接口設備植入猴腦；2005年，科學家成功讓猴子利用大腦控制了機械手臂；2012年，巴西世界盃開幕式，一位截肢殘疾者用腦機接口的外骨骼開出一球……在動物身上試驗並開啟的腦機接口技術近年來踏上了高速發展的道路，並被譽為「人工智慧的下一代技術」。

猴子用大腦操控機械手臂進食

「人機互動是實現腦與外部設備之間直接交互的系統，腦機接口則是人機互動系統的核心，也是各國腦科學前沿基礎研究和重要應用突破的必爭之地。」中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員陶虎將話題轉入了這一前沿領域。2018年11月，美國宣布對14類高新技術進行出口管制，其中就包括腦機接口。美國DAPRA布局「下一代神經技術」，擬通過聲、光、電、磁等方式進行神經調控，同時Facebook、Google等商業巨頭也積極推進布局腦機接口領域，巨資投入。當前，歐美國家高度重視腦機接口技術，在「意念控制物體」方面已取得了多項重要成果。陶虎介紹了腦機接口的國內外發展現狀，2019年7月，Neuralink發布了一款高帶寬、高精度、低創傷的植入式柔性電極腦機接口系統，可以同時監測1024通道神經元的活動，其願景是開發10萬至100萬通道的植入式腦機接口系統，從而全面地認識大腦。

我國相關領域起步稍稍落後，某高校2020年1月報導了國內首例植入式腦機接口臨床研究，即將進口Uath陣列電極植入到72歲高位截癱患者的大腦運動皮層，實現了患者用意念控制機械臂完成握手、飲水、進食等，但其核心器件用的仍然是美國進口的猶它電極。

2020年1月完成國內首例植入式腦機接口臨床轉化研究

陶虎表示，腦機接口分為非侵入式和侵入式，一旦進入大腦就不僅僅是技術問題，還涉及臨床問題等，這就存在需求跟功能的不匹配。神經外科術中腦功能定位是目前腦機接口應用於臨床的最大需求，然而手術精度可達到1mm，術中腦功能定位精度只有5mm。臨床上，由於皮質下結構的誤切、切除範圍過大、電極覆蓋不全面、切除區域檢測不全面等原因，23%的患者存在永久性術後神經功能障礙。此外，臨床腦電研究面臨多種挑戰，如高質量與低創傷難以兼得、腦電極不可降解需二次手術取出甚至無法取出、因植入的器件跟人體不兼容而無法長期在體穩定工作等。

總之，目前國內缺乏原創性腦機接口核心技術，在帶寬、精度、在體穩定性方面均有不足，亟需整合多學科知識與多領域資源，集中力量解決「高帶寬雙向讀寫、海量神經信號實時處理和數據傳輸、無創/微創植入、長期在體」等關鍵技術問題，實現「人腦和機器腦的深度融合」的新一代人機互動。

光子晶片：能耗低、速度快，助跑人工智慧及高端光學裝備

從生成播放列表到語音識別，創建和操作「AI」功能，總是需要佔用大量的計算機處理能力。隨著人工智慧產品的需求不斷增加，人們對計算的要求也越來越高，但顯然，目前的計算機晶片已經達到了極限速度。光子晶片從本質上來講，可以以光速進行計算，一路」秒殺」電晶體。中國科學院上海光學精密機械研究所研究員王俊分享了光子晶片的研究進展及展望，他指出，光子晶片並不是專用在通訊領域，而是在人工智慧圖像語音處理包括信息方面的綜合應用。雖然現在還處於萌芽階段，但從創新性、科學性、技術性幾個維度來看具有很大的發展潛力。

矽光AI晶片（圖源：新京報）

「基於馮·諾依曼架構的電子計算機已無法滿足大數據時代對算力與功耗的要求，提高運算速度、降低運算功耗是提高算力的根本性對策。光計算的天然優勢使得其計算能耗非常低，現階段，小規模光子晶片的能效理論上是目前CPU和GPU的10萬倍。」王俊闡述了光子晶片的的優勢並表示，西方國家也意識到光子晶片的價值，美國和歐洲近年來都在部署一些較大的光子晶片項目，如美國自然科學基金委會、歐盟「地平線2020」計劃等均在部署。

光子晶片有著重要的應用，王俊介紹，高端光學裝備事關國家戰略安全和戰略需求，因此，智能成像裝備、雷射通信裝備是重點發展領域。其中，在強度關聯成像裝備上，我國率先完成百公裡級合作目標高分辨三維成像實驗演示、首次實現X光波段強度關聯顯微實驗演示，在空間雷射通信裝備上，我國實現10Gbps的空間雷射通信。這皆為國際同類裝備最高水平。但同時，高端光學裝備仍面臨數據時間長，無法實時處理，設備功耗高，體積大等瓶頸，光子晶片則給這些問題提供了有力支撐。

在未來的智慧城市建設中，光子晶片也被寄予厚望。智慧城市需要建設很多『智慧大腦』作為信息處理中心，然後通過5G將計算能力傳出去。光子晶片可以作為『智慧大腦』的面板，降低能耗。

太空探索：民營火箭實現零突破，太陽系裡探索「最遠」與「最近」

談及科技進展，太空是個繞不開的領域。50年前，長徵一號運載火箭成功發射東方紅一號衛星，中國正式開啟了太空時代。50年來，中國航天從火箭到衛星，從載人航天到深空探測，不斷取得一系列重大突破。高分、北鬥、風雲等系列衛星也正在為國計民生發揮著重要作用。

張永合解讀2019世界、中國十大航天事件

「國防、科學、信息是當前太空科技發展與影響的主要領域。太空經濟、太空工業是人類正在邁進的新領域。拓展生存空間、星際航行、太空移民，是人類不懈探索與追求。」中國科學院微小衛星創新研究院新技術中心主任張永合與聽眾探討了太空科技如何改變人類的認知與生活。梳理2019年到2020年的航天熱點，張永合將其歸納為「往返太空、織網天地、扎堆月球、齊赴火星、造訪邊緣、捕捉漣漪」。除了大眾熟悉的北鬥三號系統完成全球組網、「天問一號」火星探測外，我國在往返太空方面有兩件標誌性的事件，一是長徵五號運載火箭，它解決了我們能夠向火星或者月球發射無人太空飛行器。二是民營火箭成功首飛，星際榮耀「雙曲線一號」入軌，這將成為中國航天業的裡程碑。另外，美國在載人返回方面今年也有新的突破，民營的美國探索技術公司（SpaceX）的「載人龍飛船」實現了全球首次商業載人發射並成功返回地球。

美國SpaceX載人龍飛船航空艙內部

張永合介紹了太陽系裡「最遠」與「最近」的探索成果，NASA於2018年發射的帕克太陽探測器成為最接近太陽的人造物體，2020年初，帕克探測器完成第四次近日飛行。到目前為止，從探測器中獲得的最大發現也許是，太陽的磁場在靠近其表面時變得不穩定，從而來回切換方向。研究人員也從探測器數據中發現了許多有趣的細節，例如塵埃粒子如何在太陽周圍傳播等。與帕克探測器的「近日」飛行反向的是NASA的新視野號，其目標是探測冥王星。新視野號於2006年1月19日發射，在太空已經度過了十多年，並於2015年通過冥王星，今年6月正式進行了首次星際視差實驗。NASA表示，這是太空飛行器首次從如此遙遠的地方將天空的圖像傳回地球，以至於恆星看起來與我們從地球上看到的位置不同。如今，新視野號探測器已經遠遠超出冥王星的軌道，正向星際空間進發。

NASA於2018年發射的帕克太陽探測器成為最接近太陽的人造物體

科技世界不乏預言者：例如比爾·蓋茨和埃隆·馬斯克都認為人工智慧會對人類造成威脅，而谷歌的技術總監庫茨·魏爾則覺得這一天還為時尚早。至於科技對生活的改變，是機遇還是挑戰？科技能至上嗎？不妨多一份思考，少一份崇拜。因為勇於追求真理和知識，並為之不懈奮鬥，是科學留給我們最根本的人文精神。