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李遠(yuǎn)寧

上海科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)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(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院研究員李遠(yuǎn)寧與科幻作家江波的對話。記得李遠(yuǎn)寧對腦機(jī)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(shè)備與大腦活動進(jìn)行信號交互的設(shè)備都可以稱作腦機(jī)接口。比如，人工耳蝸可能是目前應(yīng)用最成功的腦機(jī)接口。它接受外界刺激，直接通過電信號與神經(jīng)系統(tǒng)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(yuǎn)寧的名字，于是就約他進(jìn)行采訪。見到李遠(yuǎn)寧后，感覺他與我印象中一位正處在學(xué)術(shù)旺盛期的青年學(xué)者的畫像蠻吻合的，無論身材、身高還是言談表達(dá)都讓人印象深刻。啟明星訪問大都控制在3小時以內(nèi)，但和李遠(yuǎn)寧的交流有點(diǎn)“剎不住車”的感覺，前后長達(dá)4個小時。

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

李遠(yuǎn)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(fù)高考后最早一批高中畢業(yè)通過考試進(jìn)入大學(xué)就讀的大學(xué)生，后來都在同一所大學(xué)任教。這樣的家庭可能對孩子的最大影響就是知識和學(xué)習(xí)氛圍。

不過，在遠(yuǎn)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(jīng)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)感，那時候他也沒有想到，多年以后這種中文特有的韻律結(jié)構(gòu)會成為他研究的主題之一。

有意培養(yǎng)自己的自學(xué)能力，高中能看大學(xué)的書

高中階段遠(yuǎn)寧做了不少探索，包括看大學(xué)的數(shù)學(xué)和物理書，參加競賽等。遠(yuǎn)寧爸爸是大學(xué)物理教授，其書架上滿是各種大學(xué)教材，于是遠(yuǎn)寧經(jīng)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(xué)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(fù)重構(gòu)知識體系。盡管這些對高考成績沒有多少直接幫助，但對學(xué)習(xí)能力是有意義的，這可能也是后來從事交叉學(xué)科研究的“種子”之一。這樣的狀態(tài)一直保持到高考。

雖然高考成績低于預(yù)期，但也考上了北京航空航天大學(xué)電子信息工程專業(yè)。入校第二學(xué)期遠(yuǎn)寧進(jìn)了北航高等工程學(xué)院的理科實(shí)驗(yàn)班，這個實(shí)驗(yàn)班請北大數(shù)學(xué)學(xué)院、物理學(xué)院的老師來授課，數(shù)理基礎(chǔ)課的量增加一倍，大一、大二除了上課就在自修室。

“我的大學(xué)學(xué)習(xí)強(qiáng)度遠(yuǎn)超高中。高中階段每天還能抽一小時打球，大學(xué)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(xué)，一直到現(xiàn)在遠(yuǎn)寧都和這幾位高中同學(xué)有密切聯(lián)系，大家都在科研行業(yè)，其中有一位現(xiàn)在仍與他一起寫論文，一起指導(dǎo)學(xué)生。

入讀卡內(nèi)基梅隆，由電子計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)向神經(jīng)計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)

本科四年結(jié)束時（2011）遠(yuǎn)寧對于未來并沒有明確的方向，只是想到最好的學(xué)校去看看去深造。當(dāng)時學(xué)校前20%的學(xué)生都會把海外留學(xué)作為首選。遠(yuǎn)寧以本科期間的成績順利進(jìn)入全美計(jì)算機(jī)和人工智能頂尖學(xué)府的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電子計(jì)算機(jī)工程專業(yè)。

留美不久，遠(yuǎn)寧注意到神經(jīng)科學(xué)和人工智能、計(jì)算機(jī)交叉的腦科學(xué)，是在美國上升勢頭最快的專業(yè)。而計(jì)算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)結(jié)合的前景更讓他震撼。

第二年轉(zhuǎn)博時，遠(yuǎn)寧放棄已讀了一年的電子計(jì)算機(jī)，轉(zhuǎn)讀神經(jīng)計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)專業(yè)（卡內(nèi)基梅隆是全美博士培養(yǎng)中最早開設(shè)這一專業(yè)方向的學(xué)校）。

其實(shí)轉(zhuǎn)專業(yè)方向在美國也非常不易，必須重新申請并征得相關(guān)學(xué)院、系的錄取同意，還要找到接納的導(dǎo)師。

為轉(zhuǎn)專業(yè)遠(yuǎn)寧花了一年時間讀了大量與人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)科學(xué)、心理認(rèn)知等有關(guān)的書，從最經(jīng)典的論文到最新的文獻(xiàn)，還有些教科書的章節(jié)，每一篇都打印出來仔細(xì)讀，最后攢了滿滿一大紙箱的打印材料。

“高中選考物理化學(xué)，本科也沒有學(xué)過生物，沒想到正式學(xué)的第一門生物課就是針對生物學(xué)博士生的神經(jīng)生物學(xué)課程，需要補(bǔ)很多生物學(xué)、生理學(xué)方面的知識。美國讀博強(qiáng)調(diào)自學(xué)，老師在課上只是提綱挈領(lǐng)。當(dāng)時每天學(xué)習(xí)到不少東西，不停地在吸收，把不同學(xué)科的東西揉在一起，現(xiàn)在想起來還是很享受這個過程。”

初入大腦神經(jīng)、認(rèn)知過程研究之門

神經(jīng)計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)本質(zhì)上是要求用計(jì)算、人工智能、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究大腦的神經(jīng)、認(rèn)知過程，需要多學(xué)科交叉，甚至與工程的交叉。

入校第三年，遠(yuǎn)寧進(jìn)入博士項(xiàng)目，與匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)外科醫(yī)生合作，利用顱內(nèi)腦電和計(jì)算方法研究閱讀、視覺等人類大腦認(rèn)知過程的神經(jīng)機(jī)制。

由于學(xué)科交叉跨度大，遠(yuǎn)寧的指導(dǎo)老師有三位：阿夫尼爾·古曼（Avniel Ghuman）是神經(jīng)科學(xué)方向的導(dǎo)師，馬克斯·吉賽爾（Max GSell）是機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和人工智能方向的導(dǎo)師，還有一位導(dǎo)師是匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的神經(jīng)外科醫(yī)生馬克·理查森（Mark Richardson）。三位教授背景完全不同，他的科研項(xiàng)目就是他們交叉研究的橋梁。

博士期間，遠(yuǎn)寧主要任務(wù)就是進(jìn)入病房把設(shè)備連接到與病人大腦相連的電極上采集數(shù)據(jù)。這些病人都自愿加入這個實(shí)驗(yàn)過程。采集數(shù)據(jù)前，患者會被告知這個實(shí)驗(yàn)不會直接對他產(chǎn)生治療作用，也不會帶來任何傷害，但會有助于醫(yī)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(shí)驗(yàn)。那時候幾位導(dǎo)師都是新建立實(shí)驗(yàn)室的年輕教授，他和實(shí)驗(yàn)室的科研助理是所有合作項(xiàng)目的唯二執(zhí)行者，也成了匹茲堡地區(qū)顱內(nèi)腦電認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究這一課題的開創(chuàng)者。除了采集數(shù)據(jù)，調(diào)試設(shè)備、寫程序也是遠(yuǎn)寧博士期間（2014—2018年）的主要工作。

與博士生導(dǎo)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(dǎo)師、美國國家科學(xué)院及醫(yī)學(xué)院雙院院士張復(fù)倫教授合影

在更寬的層面觀察、理解與認(rèn)知相關(guān)的神經(jīng)過程

由于數(shù)據(jù)采集、分析比較順利，讀博兩年后，主導(dǎo)師就認(rèn)為他可以畢業(yè)了，盡管論文還未發(fā)表。2018年底在完成論文答辯后，遠(yuǎn)寧博士畢業(yè)。他的博士研究論文于2016到2020年先后發(fā)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(xù)至今，并擴(kuò)展到與語言相關(guān)的視覺、聽覺等神經(jīng)過程的機(jī)制研究。

在遠(yuǎn)寧看來，大腦很多這樣的過程都不是靜態(tài)的，而是多個區(qū)域動態(tài)參與同一個過程，或同一個區(qū)域動態(tài)參與多個過程。

“現(xiàn)在我們試圖在更寬的范圍上來觀察、理解與語言相關(guān)的神經(jīng)過程。”

經(jīng)典神經(jīng)生物學(xué)是從細(xì)胞、分子、神經(jīng)環(huán)路出發(fā)解釋微觀機(jī)制，而李遠(yuǎn)寧課題組現(xiàn)在關(guān)注更多的是宏觀到介觀層面，即在知道某塊區(qū)域與語言和認(rèn)知相關(guān)后，通過記錄該區(qū)域的神經(jīng)活動和信號，用計(jì)算的方法，設(shè)法搞清該區(qū)域中哪一部位在什么時間以何種形式負(fù)責(zé)哪種功能。

對腦機(jī)接口的本質(zhì)有了更深的了解

遠(yuǎn)寧告知，一旦能在腦的不同區(qū)域與腦的不同功能之間建立某種關(guān)聯(lián)，如用數(shù)學(xué)方法將實(shí)驗(yàn)對象的一句話與同步產(chǎn)生的神經(jīng)活動建立某種映射，那所記錄的神經(jīng)活動就可以通過映射來解碼這段語言的內(nèi)容，這就是腦機(jī)接口的本質(zhì)。遠(yuǎn)寧解釋：

“語言是一種行為，我們所做的也就是在這些行為發(fā)生的同時，記錄相對應(yīng)的神經(jīng)活動，建立兩者之間的關(guān)聯(lián)記錄，通過神經(jīng)活動就有可能判斷實(shí)驗(yàn)對象的行為反應(yīng)。反之，如果我想誘導(dǎo)（或改變）實(shí)驗(yàn)對象的某種行為狀態(tài)，那我有可能用電、磁等調(diào)控手段去改變其大腦中相應(yīng)的神經(jīng)活動，達(dá)到改變對象行為狀態(tài)的目的。這樣或有可能在臨床上改善某些疾病的狀態(tài)，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(yùn)動輸出來表達(dá)自己意愿的實(shí)驗(yàn)對象（如漸凍癥患者或高位截癱者），有望借助腦機(jī)接口從其大腦的神經(jīng)活動來解碼他想表達(dá)的行為。這是腦機(jī)接口的兩種方式，一種是解碼，另一種是調(diào)控，都是為了改善病患的狀態(tài)。”

博士后研究試圖解鎖語言特異性和通用性的神經(jīng)機(jī)制

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

李遠(yuǎn)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(jīng)機(jī)制研究。2019年開始，遠(yuǎn)寧負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)了張教授與華山醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師吳勁松的合作課題——采集中文母語、英文母語實(shí)驗(yàn)對象在聽和說時的神經(jīng)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(jī)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(xué)上的聲音、語調(diào)參數(shù)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(jié)構(gòu)、單詞等都相差甚遠(yuǎn)，也就是說不同語言涉及的大腦區(qū)域硬件是相似的，但操作系統(tǒng)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(yuǎn)寧恰好在這個時間點(diǎn)上加入這一課題，并負(fù)責(zé)具體實(shí)現(xiàn)。他用了一年時間匯集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做數(shù)據(jù)分析、建模、解釋，在此基礎(chǔ)上撰寫論文。

這個課題有意義的結(jié)果之一是音高和聲調(diào)（漢語拼音的四聲）的神經(jīng)機(jī)制。英文沒有聲調(diào)，但通過改變音高也會引起語調(diào)（抑揚(yáng)頓挫）的變化，因此同一個音高的物理發(fā)生機(jī)制在中英文語言中具有完全不同的內(nèi)涵，如果讓中國人聽英文的語調(diào)，與他聽漢語的聲調(diào)，會否觸及相同的神經(jīng)機(jī)制？一個美國人能聽出這四種聲調(diào)在聲學(xué)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(yuǎn)寧等人的工作解釋了不同語言的聽覺理解過程的神經(jīng)機(jī)制。

理解閱讀的神經(jīng)機(jī)制，造福閱讀障礙癥患者

博士后期間李遠(yuǎn)寧完成的第二項(xiàng)工作，是試圖闡明中國人發(fā)聲時是怎么控制喉部運(yùn)動產(chǎn)生音高變化來形成四個聲調(diào)的，跟美國人講話時改變音高形成語調(diào)的抑揚(yáng)頓挫之間的神經(jīng)機(jī)制是否一樣？最終他發(fā)現(xiàn)中國人有一些神經(jīng)機(jī)制上的特異性與聲調(diào)控制有關(guān)，在做針對漢語的腦機(jī)接口時要考慮母語為漢語者的神經(jīng)機(jī)制與漢語本身的特異性。

遠(yuǎn)寧的這個工作方向一直延續(xù)至今，他的啟明星項(xiàng)目主攻的就是漢語閱讀的神經(jīng)機(jī)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(rèn)識。李遠(yuǎn)寧好奇的是只有區(qū)區(qū)幾千年的人類閱讀史何以能在早已完成進(jìn)化的大腦上產(chǎn)生這一人類特有的高級認(rèn)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(xiàn)實(shí)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(rèn)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(jīng)機(jī)制對于閱讀障礙人群會有現(xiàn)實(shí)的臨床指導(dǎo)價值。

遠(yuǎn)寧的第三項(xiàng)工作是把人工智能引入大腦語言區(qū)域的研究（專業(yè)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(jī)制上很可能既有相似，也有差異。遠(yuǎn)寧要做的就是量化、描述、建模這些相似和差異。他預(yù)感這會是未來實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能，即人類智能與機(jī)器智能融合的基礎(chǔ)。這方面工作也一直延續(xù)至今，仍然是他自己實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)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(yī)院神經(jīng)外科與上海科技大學(xué)聯(lián)系。上海科技大學(xué)2020年組建了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，要招募項(xiàng)目負(fù)責(zé)人（PI），雙方一拍即合，學(xué)校同意給予他研究員、助理教授、博導(dǎo)職位。對遠(yuǎn)寧來說，上海是他獨(dú)立開展工作的理想之選，他要做的研究非常依賴高質(zhì)量的臨床試驗(yàn)環(huán)境，而全世界能做到這類神經(jīng)科學(xué)研究的神經(jīng)外科中心并不多，華山神外是其中之一。

在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

盡管到上科大只有三年，但他目前已有一個十幾人的團(tuán)隊(duì)，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(jīng)外科吳勁松/路俊鋒教授團(tuán)隊(duì)有十幾個人，“他們多是醫(yī)學(xué)生，我這里是電子計(jì)算機(jī)、人工智能背景的學(xué)生，共同的科研興趣讓我們兩家緊密聯(lián)系，經(jīng)常一起開組會”。

李遠(yuǎn)寧承擔(dān)的啟明星課題的臨床被試多是膠質(zhì)瘤患者。對這種生長在腦部語言功能區(qū)的腫瘤，切除時主刀醫(yī)生會格外小心。經(jīng)常要做的是喚醒手術(shù)，即術(shù)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(wù)的最佳時機(jī)。這段寶貴的喚醒時間，可以用電刺激和電生理手段精準(zhǔn)定位相應(yīng)的語言功能區(qū)，達(dá)到手術(shù)上保護(hù)其語言功能的目的。同時，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對理解分析語言功能也是獨(dú)一無二的資源。這些正是李遠(yuǎn)寧正在華山神經(jīng)外科實(shí)施的啟明星項(xiàng)目的核心。

希望通過語言腦機(jī)接口研究來最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能融合

基于對神經(jīng)機(jī)制的不斷解析，李遠(yuǎn)寧還開展了多項(xiàng)與語言、腦機(jī)接口相關(guān)的課題。如嘗試幫助因?yàn)榧膊∈フZ言功能者通過語言腦機(jī)接口來恢復(fù)交流功能。而他們更長遠(yuǎn)的任務(wù)布局是，希望通過語言腦機(jī)接口研究來最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能融合。

“現(xiàn)在人與機(jī)器交流需要輸入字母或者語音控制，若借助腦機(jī)接口能直接實(shí)現(xiàn)大腦的意念與機(jī)器智能對接，就會出現(xiàn)很多全新的機(jī)會和可能性。也是基于這些機(jī)會和可能性，我們的實(shí)驗(yàn)室名為計(jì)算、認(rèn)知與轉(zhuǎn)化神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，正是希望在這些交叉領(lǐng)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(yuǎn)寧星友的訪談，我有幸認(rèn)識了一位多學(xué)科背景，正在承擔(dān)多項(xiàng)語言、腦機(jī)接口相關(guān)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(fù)的曙光。而他希望實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能融合的長遠(yuǎn)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(xué)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(xué)》雜志2025年第6期“今日啟明星”欄目-

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