一位在計算神經科學、語言腦機接口領域不斷探索精進的青年科學家——訪2024級星友李遠寧

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李遠寧

上海科技大學生物醫學工程學院研究員

作者序

一年多前《新民晚報》一則報道介紹了上海科技大學生物醫學工程學院研究員李遠寧與科幻作家江波的對話。記得李遠寧對腦機接口的表述令人印象深刻，他是這么說的：“廣義上，一切通過外部電子設備與大腦活動進行信號交互的設備都可以稱作腦機接口。比如，人工耳蝸可能是目前應用最成功的腦機接口。它接受外界刺激，直接通過電信號與神經系統相連，可以向大腦傳遞信號”。

后來從2024星友通信錄上看到李遠寧的名字，于是就約他進行采訪。見到李遠寧后，感覺他與我印象中一位正處在學術旺盛期的青年學者的畫像蠻吻合的，無論身材、身高還是言談表達都讓人印象深刻。啟明星訪問大都控制在3小時以內，但和李遠寧的交流有點“剎不住車”的感覺，前后長達4個小時。

以下記錄了被訪者的求學成長、科研經歷及其對研究課題的見解、貢獻，希望能影響到對青年科學家成長和計算認知、人工智能話題感興趣的讀者。

李遠寧1989年4月出生于江蘇連云港一個知識分子家庭，爸媽都是恢復高考后最早一批高中畢業通過考試進入大學就讀的大學生，后來都在同一所大學任教。這樣的家庭可能對孩子的最大影響就是知識和學習氛圍。

不過，在遠寧的描述中他家也不是那種一空下來人人捧書的畫面，家里會經常打開電視看新聞和一些熱門的電視劇。整個初高中階段，遠寧看了不少閑書，這些閑書中他尤喜歡宋詞，覺得宋詞的格律特別有結構感，那時候他也沒有想到，多年以后這種中文特有的韻律結構會成為他研究的主題之一。

有意培養自己的自學能力，高中能看大學的書

高中階段遠寧做了不少探索，包括看大學的數學和物理書，參加競賽等。遠寧爸爸是大學物理教授，其書架上滿是各種大學教材，于是遠寧經常會去拿幾本書翻閱。印象比較深刻的是北大物理系趙凱華主編的《新概念物理教程》，雖然大學普通物理只是高中物理的升級版，但是讓他第一次體會到可以從不同的、更高級別的視角去反復重構知識體系。盡管這些對高考成績沒有多少直接幫助，但對學習能力是有意義的，這可能也是后來從事交叉學科研究的“種子”之一。這樣的狀態一直保持到高考。

雖然高考成績低于預期，但也考上了北京航空航天大學電子信息工程專業。入校第二學期遠寧進了北航高等工程學院的理科實驗班，這個實驗班請北大數學學院、物理學院的老師來授課，數理基礎課的量增加一倍，大一、大二除了上課就在自修室。

“我的大學學習強度遠超高中。高中階段每天還能抽一小時打球，大學階段基本沒啥時間打球了。”

那時有幾位志同道合的高中同學，一直到現在遠寧都和這幾位高中同學有密切聯系，大家都在科研行業，其中有一位現在仍與他一起寫論文，一起指導學生。

入讀卡內基梅隆，由電子計算機轉向神經計算與機器學習

本科四年結束時（2011）遠寧對于未來并沒有明確的方向，只是想到最好的學校去看看去深造。當時學校前20%的學生都會把海外留學作為首選。遠寧以本科期間的成績順利進入全美計算機和人工智能頂尖學府的卡內基梅隆大學電子計算機工程專業。

留美不久，遠寧注意到神經科學和人工智能、計算機交叉的腦科學，是在美國上升勢頭最快的專業。而計算機科學和神經科學、醫學結合的前景更讓他震撼。

第二年轉博時，遠寧放棄已讀了一年的電子計算機，轉讀神經計算與機器學習專業（卡內基梅隆是全美博士培養中最早開設這一專業方向的學校）。

其實轉專業方向在美國也非常不易，必須重新申請并征得相關學院、系的錄取同意，還要找到接納的導師。

為轉專業遠寧花了一年時間讀了大量與人工智能、機器學習、神經科學、心理認知等有關的書，從最經典的論文到最新的文獻，還有些教科書的章節，每一篇都打印出來仔細讀，最后攢了滿滿一大紙箱的打印材料。

“高中選考物理化學，本科也沒有學過生物，沒想到正式學的第一門生物課就是針對生物學博士生的神經生物學課程，需要補很多生物學、生理學方面的知識。美國讀博強調自學，老師在課上只是提綱挈領。當時每天學習到不少東西，不停地在吸收，把不同學科的東西揉在一起，現在想起來還是很享受這個過程。”

初入大腦神經、認知過程研究之門

神經計算與機器學習本質上是要求用計算、人工智能、統計學方法研究大腦的神經、認知過程，需要多學科交叉，甚至與工程的交叉。

入校第三年，遠寧進入博士項目，與匹茲堡大學醫學院神經外科醫生合作，利用顱內腦電和計算方法研究閱讀、視覺等人類大腦認知過程的神經機制。

由于學科交叉跨度大，遠寧的指導老師有三位：阿夫尼爾·古曼（Avniel Ghuman）是神經科學方向的導師，馬克斯·吉賽爾（Max GSell）是機器學習、統計學和人工智能方向的導師，還有一位導師是匹茲堡大學醫學中心的神經外科醫生馬克·理查森（Mark Richardson）。三位教授背景完全不同，他的科研項目就是他們交叉研究的橋梁。

博士期間，遠寧主要任務就是進入病房把設備連接到與病人大腦相連的電極上采集數據。這些病人都自愿加入這個實驗過程。采集數據前，患者會被告知這個實驗不會直接對他產生治療作用，也不會帶來任何傷害，但會有助于醫生和研究者對大腦功能有更多了解，有可能幫助到未來像他這樣的病人和其他的患者。他們要簽署知情同意書，也可以隨時退出實驗。那時候幾位導師都是新建立實驗室的年輕教授，他和實驗室的科研助理是所有合作項目的唯二執行者，也成了匹茲堡地區顱內腦電認知神經科學研究這一課題的開創者。除了采集數據，調試設備、寫程序也是遠寧博士期間（2014—2018年）的主要工作。

與博士生導師古曼教授合影

博士論文答辯時與答辯委員會合影

與博后導師、美國國家科學院及醫學院雙院院士張復倫教授合影

在更寬的層面觀察、理解與認知相關的神經過程

由于數據采集、分析比較順利，讀博兩年后，主導師就認為他可以畢業了，盡管論文還未發表。2018年底在完成論文答辯后，遠寧博士畢業。他的博士研究論文于2016到2020年先后發表在《自然-通訊》（

Nature Communications

PNAS

這一由博士階段工作牽引的研究工作延續至今，并擴展到與語言相關的視覺、聽覺等神經過程的機制研究。

在遠寧看來，大腦很多這樣的過程都不是靜態的，而是多個區域動態參與同一個過程，或同一個區域動態參與多個過程。

“現在我們試圖在更寬的范圍上來觀察、理解與語言相關的神經過程。”

經典神經生物學是從細胞、分子、神經環路出發解釋微觀機制，而李遠寧課題組現在關注更多的是宏觀到介觀層面，即在知道某塊區域與語言和認知相關后，通過記錄該區域的神經活動和信號，用計算的方法，設法搞清該區域中哪一部位在什么時間以何種形式負責哪種功能。

對腦機接口的本質有了更深的了解

遠寧告知，一旦能在腦的不同區域與腦的不同功能之間建立某種關聯，如用數學方法將實驗對象的一句話與同步產生的神經活動建立某種映射，那所記錄的神經活動就可以通過映射來解碼這段語言的內容，這就是腦機接口的本質。遠寧解釋：

“語言是一種行為，我們所做的也就是在這些行為發生的同時，記錄相對應的神經活動，建立兩者之間的關聯記錄，通過神經活動就有可能判斷實驗對象的行為反應。反之，如果我想誘導（或改變）實驗對象的某種行為狀態，那我有可能用電、磁等調控手段去改變其大腦中相應的神經活動，達到改變對象行為狀態的目的。這樣或有可能在臨床上改善某些疾病的狀態，如罹患抑郁、帕金森病的患者有可能受益于這一研究。對一些不能通過正常的運動輸出來表達自己意愿的實驗對象（如漸凍癥患者或高位截癱者），有望借助腦機接口從其大腦的神經活動來解碼他想表達的行為。這是腦機接口的兩種方式，一種是解碼，另一種是調控，都是為了改善病患的狀態。”

博士后研究試圖解鎖語言特異性和通用性的神經機制

2019年博士畢業前半年，由之前合作醫生推薦，遠寧聯系了加州大學舊金山分校（UCSF）神經外科系主任，也是神經科學和腦機接口的世界級專家張復倫（Edward Chang），去他那里做博士后研究。張教授是語言腦機接口領域的開拓者之一，他在2010年到2020年間的工作使得語言腦機接口從一個想法成為具有明晰理論基礎和技術方法的研究方向。

李遠寧博士后期間的研究聚焦在語言的聽與說和多語言的神經機制研究。2019年開始，遠寧負責領導了張教授與華山醫院神經外科主任醫師吳勁松的合作課題——采集中文母語、英文母語實驗對象在聽和說時的神經活動的對比研究。這一課題試圖解開語言通用性——語法、語言輸入和輸出——依賴的生理物理機制。

這一研究的背后邏輯是，盡管中英文都是用嘴說，用耳聽，聲學上的聲音、語調參數也相近，但兩種語言音素的排列組合卻大異其趣，甚至語法結構、單詞等都相差甚遠，也就是說不同語言涉及的大腦區域硬件是相似的，但操作系統很不一樣。這個研究就是想知道哪些是在大腦里相同的部分，哪些是不同的部分。遠寧恰好在這個時間點上加入這一課題，并負責具體實現。他用了一年時間匯集實驗數據，做數據分析、建模、解釋，在此基礎上撰寫論文。

這個課題有意義的結果之一是音高和聲調（漢語拼音的四聲）的神經機制。英文沒有聲調，但通過改變音高也會引起語調（抑揚頓挫）的變化，因此同一個音高的物理發生機制在中英文語言中具有完全不同的內涵，如果讓中國人聽英文的語調，與他聽漢語的聲調，會否觸及相同的神經機制？一個美國人能聽出這四種聲調在聲學特征上的不同，但這種聲音上的不同代表的語義他可能不易理解。李遠寧等人的工作解釋了不同語言的聽覺理解過程的神經機制。

理解閱讀的神經機制，造福閱讀障礙癥患者

博士后期間李遠寧完成的第二項工作，是試圖闡明中國人發聲時是怎么控制喉部運動產生音高變化來形成四個聲調的，跟美國人講話時改變音高形成語調的抑揚頓挫之間的神經機制是否一樣？最終他發現中國人有一些神經機制上的特異性與聲調控制有關，在做針對漢語的腦機接口時要考慮母語為漢語者的神經機制與漢語本身的特異性。

遠寧的這個工作方向一直延續至今，他的啟明星項目主攻的就是漢語閱讀的神經機制，通過閱讀這個語言中的重要過程來加深對語言的理解認識。李遠寧好奇的是只有區區幾千年的人類閱讀史何以能在早已完成進化的大腦上產生這一人類特有的高級認知功能的？

這一研究的動力不僅源于對探知未知的興趣，還在于現實的緊迫需求。目前仍存在大量閱讀障礙者，兒童中存在閱讀障礙的比例可能超過5%，有些被認為是頑皮不肯好好讀書的、有多動癥的孩子有可能就是閱讀障礙患者。搞清楚閱讀的神經機制對于閱讀障礙人群會有現實的臨床指導價值。

遠寧的第三項工作是把人工智能引入大腦語言區域的研究（專業用語叫“對齊”），簡言之，就是人工智能聽懂語言、理解語義，這與人腦在功能上是相似的，但在具體機制上很可能既有相似，也有差異。遠寧要做的就是量化、描述、建模這些相似和差異。他預感這會是未來實現人機智能，即人類智能與機器智能融合的基礎。這方面工作也一直延續至今，仍然是他自己實驗室的研究主題。

就職上科大，華山神外成緊密合作伙伴

以上三方面工作讓李遠寧在博士后期間的成果豐碩。2022年3月回國前他已通過科研合作方華山醫院神經外科與上海科技大學聯系。上海科技大學2020年組建了生物醫學工程學院，要招募項目負責人（PI），雙方一拍即合，學校同意給予他研究員、助理教授、博導職位。對遠寧來說，上海是他獨立開展工作的理想之選，他要做的研究非常依賴高質量的臨床試驗環境，而全世界能做到這類神經科學研究的神經外科中心并不多，華山神外是其中之一。

在實驗室指導學生分析實驗數據

盡管到上科大只有三年，但他目前已有一個十幾人的團隊，包括3個博士生、6個碩士生，還有幾個本科生。課題合作者華山神經外科吳勁松/路俊鋒教授團隊有十幾個人，“他們多是醫學生，我這里是電子計算機、人工智能背景的學生，共同的科研興趣讓我們兩家緊密聯系，經常一起開組會”。

李遠寧承擔的啟明星課題的臨床被試多是膠質瘤患者。對這種生長在腦部語言功能區的腫瘤，切除時主刀醫生會格外小心。經常要做的是喚醒手術，即術中通過控制麻醉等把患者叫醒，這時患者感覺不到疼痛，但意識清楚。這也是讓患者參與閱讀、說話等語言任務的最佳時機。這段寶貴的喚醒時間，可以用電刺激和電生理手段精準定位相應的語言功能區，達到手術上保護其語言功能的目的。同時，這些實驗數據對理解分析語言功能也是獨一無二的資源。這些正是李遠寧正在華山神經外科實施的啟明星項目的核心。

希望通過語言腦機接口研究來最終實現人機智能融合

基于對神經機制的不斷解析，李遠寧還開展了多項與語言、腦機接口相關的課題。如嘗試幫助因為疾病失去語言功能者通過語言腦機接口來恢復交流功能。而他們更長遠的任務布局是，希望通過語言腦機接口研究來最終實現人機智能融合。

“現在人與機器交流需要輸入字母或者語音控制，若借助腦機接口能直接實現大腦的意念與機器智能對接，就會出現很多全新的機會和可能性。也是基于這些機會和可能性，我們的實驗室名為計算、認知與轉化神經科學實驗室，正是希望在這些交叉領域做更多探索。”

一位值得我們致敬、祝福的年輕人

以上是我這次做了16頁采訪記錄擇要整理的文字。通過這次和李遠寧星友的訪談，我有幸認識了一位多學科背景，正在承擔多項語言、腦機接口相關課題的研究者，這類研究讓人看到了閱讀障礙患者、喪失語言功能者等康復的曙光。而他希望實現人機智能融合的長遠追求，讓人看到了一位把個人志趣和追求與國家、人類需求緊緊連在一起的青年科學家的志向和格局。這是一位值得我們致敬、祝福的年輕人，一顆正在冉冉上升的啟明之星。

-本文刊載于《世界科學》雜志2025年第6期“今日啟明星”欄目-

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