本文作者：Peter Zhegin 编译：Cointime Candice
他们做什么以及机器学习如何适应
“……物理学和神经科学在某些方面是最基本的学科：一个关注外部世界，另一个关注我们心中的内部世界。” ——DeepMind的联合创始人Demis Hassabis FT.com网站
研究和影响“我们心目中的内部世界”的技术的发展受到投资活动等因素的推动。2016年夏天，投资数据库CB Insights发布了对17家促进大脑发展的初创公司的评论。在短短两年的时间里，2018年6月，名单中资金最充足的初创公司Neuronetics就上市了。该名单中的其他公司筹集了大量投资。例如，Lumosity（1100万美元）、Headspace（3200万美元）和Thync（600万美元）等。据报道，只有一家初创企业倒闭了。因此，在科技和神经科学的交叉点上发生的事情看起来是令人兴奋的。
这篇文章对侵入大脑的创业公司进行了更广泛、更深入的概述。它还强调了机器学习（ML）在这一重大挑战中如何起到作用的。我希望这篇文章对那些正在考虑如何应用他们的专业知识的数据科学家，以及那些想要确定对他们的研究/病人有益的技术的研究人员和医疗保健专业人士是有用的。
在这篇文章中，我将44家创业公司分为三组：1）提供诊断能力的公司，2）为为各种干预措施和影响/刺激大脑建立技术的公司，最后，3）主要致力于大脑研究和大脑接口开发的公司。见表1。
在每一组中，创业公司都围绕其技术所基于的核心原则进行调整。例如，测量血液流量、跟踪大脑的电活动或测试某些蛋白质。
一、诊断法
技术由NeuroSky、BrainScope和iota Biosciences提供
脑电图（EEG）是一种记录大脑电活动的技术，是最流行的诊断工具之一。建立在EEG基础上的初创公司包括：
- BrainScope开发了脑损伤评估，包括脑震荡，Ceribell设计了一种快速设置和分类癫痫发作的工具，ElMindAis帮助脑损伤后恢复。
- NeuroSky的脑电生物传感器将原始模拟大脑信号数字化和放大，并为健康和保健、教育、医疗、研究和其他领域的应用提供了一个平台。
一种新的诊断方法是基于对人与智能手机互动的分析。Mindststrong依赖于一组来自人类智能手机交互的数字生物标志物，这些生物标志物与选定的认知测量、情绪状态和大脑连接性高度相关。
在各种诊断方法中，有一些方法可以测量液体体积、血流和氧气水平、组织的属性，甚至颅骨的运动。采用这些方法的初创企业有：
- Cerebrotech医疗系统公司开发了体积阻抗相移光谱学（VIPS）。它开发了一种使用多频率电磁测量来评估大脑半球之间液体体积差异的头戴式耳机。它的技术有助于评估中风患者。
- Neural Analytics研究了经颅多普勒超声，一种用于大脑健康评估的超声技术。它结合了一个一体化的神经血管超声设备，旨在无创地测量和显示脑血流信息。用于脑血管病患者的评估和管理。波士顿神经科学还使用多普勒超声非侵入性测量颅内压（ICP）。
- Iota Biosciences开发了一种非常不同的超声波方法。一个毫米大小的设备被一束超声波激活，电极之间的电压流动，这种微小的电流受到组织的电活动的影响。这些微小的变化从字面上反映在超声波脉冲如何反弹，读者可以从这些变化中获得电生理电压。目前，这项技术并未直接应用于大脑，但得到了许可直接与特定的神经丛连接，为生物电子医学和脑机接口打开了许多大门。
- 近红外光谱法，例如由Luciole Medical和Obelab公司进行的，用于根据血液中的氧浓度诊断脑损伤。
- Jan Medical的方法是测量颅骨的运动，这种运动是由于不对称的血液流入大脑而产生的，以及这种运动的中断情况。他们的耳机包含一个心率检测传感器，一个用于检测周围环境噪声的声压级传感器，以及六个用于检测头骨加速度的加速计。它有助于诊断紧急情况，包括脑震荡、中风和血管痉挛。
血液告诉很多关于大脑健康的信息，一些初创公司通过研究它来诊断损伤和其他情况。例如：
- BioDirection开发了一个测试平台，用于检测和测量脑震荡后大脑立即释放的特定蛋白质分子。
- Iron Horse Diagnostics开发了血液或脑脊液测试，以早期识别脑损伤和肌萎缩侧索硬化症。
用于诊断的机器学习
大脑诊断应用似乎很大程度上依赖于机器学习。EEG软件的核心是解释模型，帮助识别和量化精神或情绪状态的类别。这些算法可以简单到一个数学公式，也可以复杂到一个机器学习模型，它可以映射到用户在参与某项活动时的个人感受。
机器学习还允许识别颅骨运动模式，并将其与各种大脑病理相关联。算法区分不同大脑病理的生物阻抗曲线。
除此之外，机器学习方法被用来显示（人类智能手机交互的）特定数字特征与认知功能、临床症状和大脑活动的测量相关。因此，一种新的诊断方式成为了可能。
二、 干预措施
初创公司超越了医疗诊断，建立了影响大脑的技术。我将各种干预措施分为两大类，即：
- 技术驱动，当设备对大脑施加不同类型的刺激时。神经和大脑本身可能受到电脉冲、电磁波、低温甚至光的刺激。这些和其他刺激会影响大脑的各种参数，例如，血流、神经递质的释放等。
- 技术支持，患者/用户试图通过改变行为、冥想或应用其他不涉及设备刺激的做法来管理自己的状态。这些干预措施可以通过神经反馈来实现，这是一种生物反馈，使用大脑活动的实时显示来教导大脑功能的自我调节。
二、1. 技术驱动的干预措施
技术由NeuroSigma、MicroTransponder和Aleva Neurotherapeutics提供
影响血流和温度
- 对三叉神经的非侵入性刺激可以减少或增加分别与癫痫发作的启动和扩散有关的脑区以及与情绪、注意力和执行功能有关的脑区的血流。NeuroSigma采用这种方法。
- BrainsGate的技术是基于对蝶腭神经节（SPG）的电刺激，来增加脑血流量。在急性缺血性中风的情况下，血液循环受到影响。SPG刺激可以增加血液供应减少或缺乏的区域的灌注，有助于挽救脑组织。
- Ebb开发了额叶热疗法（维持在14–16°C）来治疗失眠。睡眠障碍已被证明与睡眠期间的额叶代谢有关，减少新陈代谢可将障碍降至最低。
影响某些化学物质的释放，如激素、神经调节剂、神经递质
- 三叉神经刺激有助于调节大脑对环境压力的主要交感反应。刺激调动去甲肾上腺素，一种调动大脑和身体行动的激素，来自于定位器（负责压力和恐慌反应的神经元群）。Thync使用这种方法来减少压力。
- 侵入性刺激迷走神经（VNS）传递到某些大脑区域，导致神经舒缓剂的释放，对学习和记忆很重要，有助于增加（中风患者）物理治疗的显著性（或相关性）。胆碱能和去甲肾上腺素能神经调节系统被迷走神经刺激所吸引，代表VNS可能支持康复的潜在途径。Microtransponder开发了VNS技术。
- 经颅磁刺激（TMS）和同步TMS（根据患者的个人α频率进行个性化设置，通过简短的脑电图测量）用于帮助抑郁症患者。NeoSync的工作原理是同步TMS。TMS激起神经递质的释放，如多巴胺，并使大脑化学反应正常化。人们还认为，TMS可能恢复正常的振荡模式，从而使整个大脑区域的功能得到协调。
- NeuroPace开发的反应性神经刺激（RNS）被认为是对抑制性神经递质起作用。这种物质的作用是抑制或停止可能导致癫痫发作的脑细胞活动。
- 脑部化学也可能受到光的影响。当大脑的感光区域受到光的刺激时，它会通过神经递质（如血清素、多巴胺和去甲肾上腺素）影响大脑的神经回路。通过耳道进行的经颅强光照射是由人类充电器进行的，这个充电器开发了一种抑郁症治疗方法。然而，这种方法受到了批评。
其他类型的刺激
- 脑深部刺激（DBS）不会直接作用于多巴胺产生细胞，也不会影响大脑多巴胺水平。相反，它补偿了多巴胺丢失的主要副作用之一，它纠正了由多巴胺产生细胞丢失引起的过度和异常活动。Aleva Neurotherapeutics公司将DBS应用于丘脑下核以及丘脑腹中核。Functional Neuromodulation公司正在研究使用手术植入的设备来刺激大脑中对记忆起核心作用的穹窿。
- Nativis Voyager是一种使用超低射频能量的设备，记录分子的电子频率分布，在本例中是一种叫做紫杉醇的化学疗法。然后“回放”患者肿瘤的信号。理论上，该信号对癌症细胞的影响与紫杉醇分子的影响相同。紫杉醇的作用是通过破坏RNA或DNA，告诉细胞如何在分裂中复制自己。如果细胞无法分裂，它们就会死亡。
- 电刺激放大了来自大脑的残余指令，使严重脊髓损伤患者能够自主控制特定腿部肌肉。所发生的是脊髓中相关神经回路和通向/来自大脑的残余通路的大规模重组。实验表明，在脊髓挫伤的情况下，神经调控导致皮层信息通过新的途径重新路由。GTX医疗公司致力于腰骶部脊髓刺激术的康复。
- Halo Neuroscience使用经颅直流电刺激（tDCS），即通过头皮上的电极向感兴趣的大脑区域施加非常低水平的恒定电流。这增加了大脑在运动皮层产生和优化新神经通路的自然能力，并改善了“肌肉记忆”。
二、2. 技术支持的干预措施：生物反馈和其他技术
技术由Muse、MindMaze和Headspace提供
神经反射
- 以脑电图为动力：Muse将脑电波转化为天气的引导声音来帮助调节。Dreem使用神经反馈作为一种放松技术。通过脑电波的形状测量的放松程度也被转换为声音信号。用户试图影响声音到完全放松。Emotiv有助于了解用户在一天中的哪个时间最专注，或者哪些活动使他们最放松。它还推荐了管理压力或提高注意力的策略。BrainCo帮助学生提高专注和高效学习的能力。用户可以追踪他们的注意力得分，玩认知训练游戏。Atentiv还以游戏的形式提供基于脑电图的认知训练和治疗。
- 增强/虚拟现实和可穿戴设备/传感器也应用于修补大脑功能。例如，这些技术允许病人在现实世界中的动作被复制为虚拟环境中拟人化的化身的动作。体现的感觉运动反馈允许整合运动启动技术和与身体感知和动作相关的认知原则，这些已被证明可以改善功能恢复。例如，MindMaze将VR应用于中风患者的康复。
- 手机互动：BrainHQ分享用户如何玩游戏的反馈。Lumicity分享了用户在玩认知手机游戏时所经历的训练。Happify以“幸福分数”的形式提供一般反馈。目前还不清楚这些游戏对大脑训练的影响有多大，但有证据表明，大脑的神经时间随着训练而提高，使神经元对预言的反应更快。
训练自我意识是技术帮助管理大脑功能的另一种方式
- 像Calm和Headspace这样的初创公司并不提供神经反馈，但它们会引导用户通过冥想练习，帮助建立了解自己身心的能力。冥想对大脑的影响尚未得到充分研究。有经验的冥想者，经过数月和数年的练习，或多或少的效果是有目共睹的。
用于干预的机器学习
至少有三种方法可以将机器学习应用于入侵大脑，即：
- 确定干预/模拟的正确时间；
- 根据个别患者的需要定制一个专属的刺激；
- 将原始数据转化为神经反馈所需的可操作见解。
选择合适的刺激时间是一项重要任务。传感器融合算法可应用于识别患者的缩进运动并选择电刺激的正确时刻。GTX Medical和NeuroSigma分别开发了根据穿戴式传感器和植入式传感器的实时反馈发送刺激信号的设备。癫痫检测是AspireSR脉冲发生器的一个组成部分。
干预的参数本身并不容易定义和编程。
- 目前，不仅需要医生或有经验的护士对迷走神经的刺激器进行编程，还需要一个特殊的软件。此外，在脑深部刺激的情况下，由于电极——组织界面水平的阻抗波动，会发生设备的重新编程。
- 随着干预措施越来越复杂，选择干预参数的问题变得更具挑战性。例如，术后管理需要平衡深部脑刺激和药物治疗。因此，基于机器学习算法的临床决策支持系统可用于管理深层脑刺激。
机器学习对于将大脑发出的原始信号转化为有意义的见解以实现神经反馈至关重要。
- 例如，每隔30秒，Dreem的机器学习算法就会确定用户所处的睡眠阶段。睡眠图（Hypnogram），即一整晚睡眠阶段的总和，是与用户共享的。
- 麻省理工学院和哈佛大学的研究人员使用机器学习来检测和区分参与者佩戴Muse冥想头带时与疼痛相关的信号；
- 计算机通过视觉帮助MindMaze在几十毫秒内解码用户的真实面部表情，并在虚拟现实化身上即时复制该表情，以帮助中风患者康复。
三、研究
技术由Inscopix、Synchron和Ctrl实验室提供
神经技术初创公司至少有两个广泛的研究主题。一些初创公司致力于让大脑更清晰，而另一些初创公司则试图将其与外界联系起来。
- 更高的分辨率/更好的可见性。Inscopix及其显微镜系统允许在动物正常生活的同时，不断地在细胞水平上研究老鼠的大脑。3Scan使用计算机视觉从组织样本中提取空间数据。结果是解剖结构的详细3D展示。
- 大脑接口。Synchron的Stentrode被植入大脑运动皮层内。它捕获信号并将其发送到无线胸前植入的天线，该天线将信号转发到外部接收器。“神经尘埃”的概念由Neuralink提出。这种界面将由数以千计的微观独立传感器节点和一个连接并为其供电的“颅下询问器”组成。Kernel探索了将微芯片植入人类头部的方法。Ctrl实验室开发了一种基于微分肌电图的可穿戴设备，即测量从大脑到肌肉的脉冲引起的电位变化。
结论
图表2。谷歌搜索“正念”和“冥想”的趋势，以及由Statista提供的美国EEG市场规模。
在回顾了这些创业公司之后，我对以下几点感到惊讶：
- 我们体内有一个惊人的化学工厂，如果能够控制它可能有助于减少对药物的依赖，对抗各种疾病。探索不同类型的大脑刺激和大脑研究技术使我们更接近这家工厂的控制面板。
- 人们对正念和冥想的兴趣越来越大（见图2），这可能会增加穿戴式脑电图传感器和其他神经反馈设备的使用。Headspace是最受欢迎的冥想应用之一，其下载量超过1600万次，甚至其用户的一部分也可能有助于发展小型便携式脑电图市场（2017年，美国为5000万美元，图2）。
- 越来越多的EEG采用产生的数据，加上人类手机交互的数据，为基于数字生物标志物的诊断提供了新的机会。
- 尽管人们对神经反馈和正念越来越感兴趣，但一些技术仍有可能将我们推向管理思维过程中的被动角色，例如，刺激而不是冥想。
- 我预计神经科技将对经济/商业和商业模式产生巨大影响。想象一下，如果大脑植入物成为主流，植入手术可以成为常规，那么对神经学家的需求会有多大？2004年，欧洲国家每10万人口中有4.84名神经科医生。相比较， 2007年，OECD国家平均每10万人口拥有61名牙医。虽然这些数字有点过时，但我相信它们表明了我所说的挑战。然后想象一种情况，医生会要求远程挖掘患者某一天的记忆，并探索24小时的视频、大脑活动数据等。移动网络的基础设施能承受得住吗？这些只是一些明显的操作上的挑战，甚至没有考虑到其他一些影响，如对人口健康的影响，国家的竞争力，哲学/伦理问题等。
- 目前，我们正处于大脑技术的早期阶段，刚刚体现出它对医疗、健康和运动的价值。然而，像NeuroSky和Ctrl实验室这样的横向平台可能有助于将大脑技术引入其他市场，例如教育、游戏/娱乐。
如果你觉得这篇文章很鼓舞人心，而且，如果你想启动/加入一家神经科技创业公司，我强烈建议你与有神经科学或相邻背景的人合作。从我对这一领域的浅入研究中，我所看到的是，仅凭计算机科学/数据科学/工程方面的专业知识，成功的几率并不大。
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