腦科學(xué)和信息科學(xué)的交叉學(xué)科研究

顧凡及

復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海 200433

腦科學(xué)和信息科學(xué)的交叉學(xué)科研究

顧凡及?

復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海 200433

對(duì)腦和心智的研究已成為21世紀(jì)最前沿的科學(xué)研究，和信息科學(xué)進(jìn)行交叉研究已成為腦科學(xué)研究的一個(gè)重要趨勢(shì)。對(duì)這一交叉領(lǐng)域研究的歷史做了回顧，并對(duì)其現(xiàn)況做了評(píng)述，最后對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做了展望。

交叉學(xué)科研究；生物控制論；計(jì)算神經(jīng)科學(xué)；仿神經(jīng)結(jié)構(gòu)工程；類(lèi)腦機(jī)器

“在自然界中雜種往往不育，但是在科學(xué)中正相反，交叉學(xué)科常常驚人地豐產(chǎn)。如果一個(gè)學(xué)科過(guò)于單純，它就會(huì)枯萎?！?/p>

——克里克《狂熱的追求》[1]

人腦是一種有1011個(gè)神經(jīng)元和1015個(gè)突觸聯(lián)系的多層次系統(tǒng)。腦不僅能認(rèn)識(shí)其外部世界，也能在某種程度上認(rèn)識(shí)自己的內(nèi)部世界，在已知的宇宙中再也沒(méi)有比這更復(fù)雜的系統(tǒng)了，因此對(duì)腦及其功能的研究已經(jīng)成了現(xiàn)代科學(xué)最大的挑戰(zhàn)。沒(méi)有哪一種單獨(dú)的方法可以完全揭開(kāi)腦功能之謎，每一種方法都只能揭示腦的某一個(gè)方面，因此多學(xué)科研究腦和心智已成為腦研究的一種重要趨勢(shì)?，F(xiàn)在人們普遍認(rèn)同，腦就其功能上來(lái)說(shuō)，本質(zhì)上是一種信息處理系統(tǒng)，因此以信息科學(xué)的思想、方法和技術(shù)來(lái)研究腦已成為多學(xué)科腦研究的主流之一。建立數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)仿真也成了綜合多層次信息，認(rèn)識(shí)其機(jī)制的最重要的工具。

圖1 維納 (引自http://oregonciberneticacch.wikispaces.com/ Norbert+Wiener)

1 歷史的回顧

人們?cè)?jīng)長(zhǎng)期認(rèn)為腦是靈魂的棲息地，因此不可能用數(shù)理方法來(lái)進(jìn)行研究。但是數(shù)理方法在化學(xué)和其他學(xué)科研究中的成功應(yīng)用終于在20世紀(jì)中葉，在美國(guó)推動(dòng)了一些學(xué)者開(kāi)始嘗試把數(shù)理科學(xué)的方法應(yīng)用于研究腦。在這些先驅(qū)者中有烏克蘭裔美國(guó)數(shù)學(xué)生物物理學(xué)家拉謝甫斯基(Nicolas Rashevsky，1899—1972)，他召集了一大批物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家參加他組織的科學(xué)討論會(huì)。雖然他本人并沒(méi)有對(duì)腦進(jìn)行多少研究，而且他把研究的重點(diǎn)主要放到能和勢(shì)的方面，因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒(méi)有多少人理解信息的重要性，但是不管是直接還是間接，拉謝甫斯基的科學(xué)活動(dòng)對(duì)推動(dòng)用數(shù)理方法研究腦還是起到了啟蒙作用。

真正對(duì)多學(xué)科研究腦起推動(dòng)作用并有長(zhǎng)遠(yuǎn)影響的是德裔美國(guó)數(shù)學(xué)家維納(Norbert Wiener，1894—1964)(圖1)。維納小時(shí)候就是一位神童。他的父親一心想把維納培養(yǎng)成為一名數(shù)學(xué)家，他諄諄叮囑兒子：“記著，你今后的路是專攻數(shù)學(xué)。不要貪玩，不要三心二意，孩子！”盡管他學(xué)業(yè)優(yōu)秀，但是他并沒(méi)有完全遵照父親的囑咐。相反，他不斷地變換著興趣，大學(xué)一年級(jí)時(shí)他迷上了物理學(xué)和化學(xué)，二年級(jí)時(shí)又被哲學(xué)吸引住了，三年級(jí)時(shí)興趣又轉(zhuǎn)到了生物學(xué)上，他甚至覺(jué)得自己應(yīng)該成為一名生物學(xué)家。但是他的深度近視和笨手笨腳使他不太適宜于成為一名實(shí)驗(yàn)科學(xué)家，所以最后還是回到了數(shù)學(xué)。但是他年輕時(shí)對(duì)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)和哲學(xué)的廣泛興趣和知識(shí)，使他擺脫了當(dāng)時(shí)學(xué)科發(fā)展越來(lái)越專門(mén)化的桎梏，獨(dú)樹(shù)一幟地奠定高度跨學(xué)科的“控制論”的基礎(chǔ)，成為一代科學(xué)巨匠！

20世紀(jì)30年代末在哈佛醫(yī)學(xué)院有一個(gè)有關(guān)科學(xué)方法的系列討論會(huì)，維納是其中的積極分子，參加這個(gè)討論會(huì)的還有其他的數(shù)學(xué)家、生理學(xué)家、物理學(xué)家、醫(yī)學(xué)家和工程師。他們一邊吃飯，一邊討論。正是通過(guò)這種討論，維納感悟到：“在科學(xué)發(fā)展上可以得到最大收獲的領(lǐng)域是各種已經(jīng)建立起來(lái)的部門(mén)之間的被忽視的無(wú)人區(qū)?！薄罢沁@些科學(xué)的邊緣區(qū)域，給有修養(yǎng)的研究者提供了最豐富的機(jī)會(huì)。”[2]不過(guò)要這樣做并不簡(jiǎn)單，維納說(shuō)：

“如果一個(gè)生理學(xué)問(wèn)題的困難實(shí)質(zhì)上是數(shù)學(xué)的困難，那么，十個(gè)不懂?dāng)?shù)學(xué)的生理學(xué)家的研究成績(jī)會(huì)和一個(gè)不懂?dāng)?shù)學(xué)的生理學(xué)家的研究成績(jī)完全一樣，不會(huì)更多。如果一個(gè)不懂?dāng)?shù)學(xué)的生理學(xué)家和一個(gè)不懂生理學(xué)的數(shù)學(xué)家合作，那么，這個(gè)人不會(huì)用那個(gè)人所能接受的術(shù)語(yǔ)表達(dá)自己的問(wèn)題，那個(gè)人也不能用這個(gè)人所懂得的任何形式來(lái)作出自己的回答?！娇茖W(xué)地圖上的這些空白地區(qū)去作適當(dāng)?shù)牟榭惫ぷ?，只能由這樣一群科學(xué)家來(lái)?yè)?dān)任，他們每人都是自己領(lǐng)域中的專家，但是每人對(duì)他的鄰近的領(lǐng)域都有十分正確和熟練的知識(shí)；大家都習(xí)慣于共同工作，互相熟悉對(duì)方的思想習(xí)慣，并且能在同事們還沒(méi)有以完整的形式表達(dá)出自己的新想法的時(shí)候就理解這種新想法的意義。數(shù)學(xué)家不需要有領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的本領(lǐng)，但卻需要有了解一個(gè)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)，批判一個(gè)實(shí)驗(yàn)和建議別人去進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)的本領(lǐng)。生理學(xué)家不需要有證明某個(gè)數(shù)學(xué)定理的本領(lǐng)，但是必須能夠了解數(shù)學(xué)定理中的生理學(xué)意義，能夠告訴數(shù)學(xué)家他應(yīng)當(dāng)去尋找什么東西。 ”[2]

盡管時(shí)隔半個(gè)多世紀(jì)，今天重讀維納的這些論斷，依然有振聾發(fā)聵之感。

通過(guò)這些討論和研究，使他認(rèn)識(shí)到無(wú)論對(duì)動(dòng)物還是自動(dòng)機(jī)器中的控制和通信來(lái)說(shuō)，其中都有著一些普適的原則，例如反饋和信息。正是這樣，他建立起了一門(mén)有關(guān)動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信共同規(guī)律的邊緣科學(xué)——控制論[3]。

盡管維納最終沒(méi)有按他年輕時(shí)的意愿成為一名生物學(xué)家，但是他對(duì)生物學(xué)的興趣，特別是腦的興趣始終未衰，到晚年他更把注意力放到將控制論應(yīng)用于生物系統(tǒng)，特別是腦的研究上去，產(chǎn)生了像生物控制論乃至神經(jīng)控制論這樣的學(xué)科分支。他在去世前不久還和謝德(Schadé)合編了一套《生物控制論進(jìn)展》叢書(shū)[4]，他在其中強(qiáng)調(diào)了從信息處理的角度來(lái)建立和生物系統(tǒng)同構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的重要性。

雖然限于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，維納本人未能在對(duì)腦的信息處理上做出許多具體成果，但是他的思想奠定了這一方向的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。維納討論會(huì)上的?？望溈丝?Warren Sturgis McCulloch，1898—1969)和匹茨(Walter Harry Pitts, Jr.，1923—1969) 在1943年根據(jù)當(dāng)時(shí)所知道的神經(jīng)元的知識(shí)，建立起了一個(gè)神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型[5]，成為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的奠基者。1949年加拿大心理學(xué)家赫布(Donald Hebb)提出了一個(gè)有關(guān)學(xué)習(xí)機(jī)制的假設(shè)[6]，后人把他的假設(shè)歸結(jié)為一句話，“經(jīng)常同時(shí)活動(dòng)的神經(jīng)元，就會(huì)聯(lián)結(jié)在一起?！彪m然他的這一預(yù)言直到多年以后才得到神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，但是這一假設(shè)大大推動(dòng)了對(duì)有學(xué)習(xí)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究。1960年美國(guó)心理學(xué)家羅森布拉特(Frank Rosenblatt，1928 —1971)仿照赫布的思想建立起了第一個(gè)具有學(xué)習(xí)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型——感知機(jī)[7]，它可以通過(guò)訓(xùn)練學(xué)會(huì)識(shí)別手寫(xiě)字等而引起轟動(dòng)。因?yàn)檫@個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一層，他的論敵抓住這一缺點(diǎn)從數(shù)學(xué)上嚴(yán)格證明了這種只有一層的網(wǎng)絡(luò)識(shí)別能力非常有限，而使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究在20世紀(jì)70年代陷入低潮。直到80年代人們克服了單層的缺點(diǎn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)才又復(fù)興起來(lái)。不過(guò)應(yīng)該指出，當(dāng)時(shí)的絕大部分和腦有關(guān)的交叉研究多半是借助有關(guān)腦知識(shí)的啟發(fā)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言給予描述，并試圖以此解決工程問(wèn)題，而較少用信息科學(xué)的思想和方法解決腦科學(xué)的問(wèn)題。

2 計(jì)算神經(jīng)科學(xué)

不過(guò)事情也并非完全如此。20世紀(jì)30年代，英國(guó)生理學(xué)家霍奇金(Alan Lloyd Hodgkin，1914—1998)(圖2)一直對(duì)神經(jīng)脈沖的產(chǎn)生機(jī)制感興趣。當(dāng)時(shí)流行的膜理論認(rèn)為神經(jīng)脈沖的產(chǎn)生是由于當(dāng)神經(jīng)受到刺激時(shí)，消除了膜對(duì)兩側(cè)離子的隔離，因此使原來(lái)內(nèi)負(fù)外正的膜電位差減小了，但是它不能解釋為什么神經(jīng)脈沖的峰值會(huì)超射到一個(gè)很大的正值。由于霍奇金在學(xué)生時(shí)代選修了數(shù)學(xué)和物理，而他的學(xué)生和合作者赫胥黎(Andrew Fielding Huxley)學(xué)的是數(shù)理科學(xué)，因此他們運(yùn)用物理學(xué)思想把神經(jīng)細(xì)胞膜等效為一個(gè)阻容的并聯(lián)電路，其中的每個(gè)電阻就相當(dāng)于允許某種離子通過(guò)的一個(gè)通道。這在當(dāng)時(shí)還只是一種假設(shè)，從實(shí)驗(yàn)上真正看到這種通道差不多是半個(gè)世紀(jì)以后的事了。不過(guò)關(guān)鍵的一點(diǎn)是他們認(rèn)為當(dāng)有神經(jīng)脈沖發(fā)生時(shí)，不僅膜不再阻擋鉀離子流過(guò)膜，而且在一瞬間有大量的鈉離子從外界涌入細(xì)胞內(nèi)，然后又自動(dòng)關(guān)閉。因此這些電阻并非固定電阻，而是可變電阻，其值和膜兩側(cè)的電位差以及時(shí)間有關(guān)。二戰(zhàn)打斷了他們的研究，直到戰(zhàn)后才又重續(xù)舊緣。他們對(duì)鉀和鈉的這種可變電導(dǎo)用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合，這樣他們就建立起了神經(jīng)軸突細(xì)胞膜的一個(gè)方程組。在當(dāng)時(shí)電子計(jì)算機(jī)還極不普遍的情況下，他們硬是手算了三個(gè)星期求出了方程的數(shù)值解(圖3)[8]。從圖中可以看出理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量得到的結(jié)果吻合得何等地好，這樣他們就通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的緊密結(jié)合解釋了神經(jīng)脈沖的成因和神經(jīng)脈沖產(chǎn)生超調(diào)的原因。更令人驚嘆的是根據(jù)他們模型的計(jì)算，還能預(yù)測(cè)神經(jīng)脈沖有閾值、不應(yīng)期、可以傳播和傳播速度等這些在建立模型時(shí)假設(shè)里沒(méi)有的性質(zhì)。這樣他們就闡明了神經(jīng)脈沖發(fā)生和傳播的機(jī)制，并開(kāi)辟了離子通道研究的新領(lǐng)域。無(wú)怪乎人們把霍奇金和赫胥黎的方程比喻為電生理學(xué)中的麥克斯韋方程。他們分享1963年的諾貝爾獎(jiǎng)確實(shí)是當(dāng)之無(wú)愧的。

圖2 霍奇金

圖3 神經(jīng)脈沖：上圖霍奇金和赫胥黎根據(jù)他們的方程算得的神經(jīng)脈沖波形；下圖在實(shí)驗(yàn)標(biāo)本上實(shí)際測(cè)得的神經(jīng)脈沖波形

二戰(zhàn)期間，當(dāng)時(shí)21歲的生物學(xué)大學(xué)生哈森施泰因(Bernhard Hassenstein，1922— )和19歲的高中畢業(yè)生賴夏特(Werner Reichardt，1924—1992)都被送上了戰(zhàn)場(chǎng)。他們相約如果能逃過(guò)這場(chǎng)浩劫，戰(zhàn)后一定要在一起建立一所融合生物學(xué)和物理學(xué)的研究所。天從人愿，他們果然都從戰(zhàn)爭(zhēng)中活了下來(lái)。戰(zhàn)后賴夏特攻讀物理學(xué)，并在1950年得到了博士學(xué)位。同年他又遇到了哈森施泰因，當(dāng)時(shí)后者也剛得到了他的博士學(xué)位，其論文內(nèi)容是有關(guān)甲蟲(chóng)的視動(dòng)轉(zhuǎn)向行為。賴夏特很快就認(rèn)識(shí)到對(duì)這些實(shí)驗(yàn)可以建立模型來(lái)進(jìn)行模擬。這在當(dāng)時(shí)是一種非常大膽的思想——居然可以用模型來(lái)研究像視覺(jué)運(yùn)動(dòng)感知這樣的內(nèi)心過(guò)程！

他們研究了甲蟲(chóng)對(duì)外界視覺(jué)刺激的行為反應(yīng)，結(jié)果表明其運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器至少要有兩個(gè)不同的輸入傳感器，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，這兩個(gè)傳感器依次為環(huán)境中同一目標(biāo)所興奮，兩者之間有一小段時(shí)間延遲。根據(jù)這一事實(shí)，他們建立了一個(gè)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模型，按照模型計(jì)算得出了一些和直觀想法相左的結(jié)果，但是對(duì)許多動(dòng)物的許多神經(jīng)元所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻都證實(shí)了這些預(yù)言。例如：模型預(yù)測(cè)反應(yīng)不會(huì)隨刺激速度的增大而一直增大下去，在到達(dá)某個(gè)最大值之后反而會(huì)下降；這個(gè)最優(yōu)速度和刺激條紋的空間頻率有關(guān)等等[9]。

這一研究促進(jìn)了對(duì)許多其他動(dòng)物包括人在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)視覺(jué)的研究。更為重要的一點(diǎn)是，這一研究大大推進(jìn)了人們根據(jù)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，用數(shù)學(xué)工具建立定量模型的潮流。直覺(jué)不一定靠得住，而像有些俏皮的人說(shuō)的那樣，“筆比握它的人還要聰明?！彪m然賴夏德本人出身于物理學(xué)，但是他非常重視生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，他對(duì)來(lái)到生物控制論研究所的每個(gè)年輕人都要贈(zèng)以忠告：“理論必須每時(shí)每刻都和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合。我不相信無(wú)中生有的腦科學(xué)理論會(huì)有任何機(jī)會(huì)取得成功?！?/p>

同一時(shí)期，美國(guó)原來(lái)學(xué)物理的拉爾(Wilfrid Rall，1922—)師從神經(jīng)科學(xué)家埃克爾斯攻讀博士學(xué)位，把原來(lái)用于研究電信號(hào)在海底金屬電纜線中傳導(dǎo)規(guī)律的電纜理論應(yīng)用到對(duì)樹(shù)突的研究[10]。他把樹(shù)突的每個(gè)分支看成是一種“電纜”。他的模型研究提示可能存在著當(dāng)時(shí)不為人知的樹(shù)-樹(shù)突觸，幾個(gè)月后才為他的同事用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。20世紀(jì)80年代他把精力集中在研究樹(shù)突有源性質(zhì)可能的功能意義上，他提出這可能是進(jìn)行局部放大。由此推動(dòng)了對(duì)樹(shù)突有源特性的研究。

到了20世紀(jì)80年代，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的人工智能和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的弱點(diǎn)漸漸顯現(xiàn)：只是一味從行為上模仿人腦的某些功能而不深究腦的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制，就不可能真正用機(jī)器實(shí)現(xiàn)人的智能；另一方面如上所述，一些科學(xué)家用數(shù)理科學(xué)和信息科學(xué)技術(shù)研究神經(jīng)系統(tǒng)已經(jīng)取得了一些有希望的成果。正是在這種情況下美國(guó)的認(rèn)知科學(xué)家、神經(jīng)科學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家施瓦茨(Eric L. Schwartz，1947—)在1985年正式提出了計(jì)算神經(jīng)科學(xué)這一學(xué)科名稱[11]。1994年《計(jì)算神經(jīng)科學(xué)(Journal of Computational Neuroscience)》雜志在發(fā)刊詞里說(shuō)道：“對(duì)我們說(shuō)來(lái)，‘計(jì)算神經(jīng)科學(xué)’可以定義如下：它主要研究人和動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)如何處理信息以產(chǎn)生有意義的行為。我們希望認(rèn)識(shí)神經(jīng)系統(tǒng)信息處理或者說(shuō)它所進(jìn)行的‘計(jì)算’的本質(zhì)；在執(zhí)行這些任務(wù)時(shí)表達(dá)信息所用的代碼；以及執(zhí)行計(jì)算算法的神經(jīng)結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，我們想要找出神經(jīng)元和它們之間的相互作用用以產(chǎn)生功能性神經(jīng)回路的規(guī)則。”[12]經(jīng)過(guò)短短十幾年的發(fā)展，計(jì)算神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)成為21世紀(jì)的科學(xué)前沿。正如美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)在他們?yōu)椤蹲匀?神經(jīng)科學(xué)(Nature Neuroscience)》所組織的一期有關(guān)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的專輯的前言中所說(shuō)：“很明顯，計(jì)算神經(jīng)科學(xué)是正在茁壯成長(zhǎng)而且還繼續(xù)要茁壯成長(zhǎng)的一個(gè)領(lǐng)域?！盵13]

3 類(lèi)腦機(jī)器

造出像人腦那樣有高度智能的機(jī)器一直是人們世代的夢(mèng)想，人們?cè)詾橹灰鶕?jù)人腦表現(xiàn)出的智能，精心編程就有可能用計(jì)算機(jī)加以復(fù)制。但是正如麥克卡洛在半個(gè)世紀(jì)以前所言：“我們能不能設(shè)計(jì)出一臺(tái)機(jī)器能做腦所能做的一切？對(duì)于這樣一個(gè)理論問(wèn)題的回答是：如果你能用一種清晰而有限的方法說(shuō)清楚腦能做什么，那么我們就能設(shè)計(jì)出一臺(tái)機(jī)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是你能說(shuō)清楚腦能做什么嗎？”在研發(fā)具有類(lèi)似于人腦智能的機(jī)器問(wèn)題上，這種行為主義的思潮和仿腦的思潮之爭(zhēng)一直貫穿始終，直至今天。此外，通過(guò)構(gòu)造這些機(jī)器和對(duì)這些機(jī)器進(jìn)行研究，也將使我們可以檢驗(yàn)我們對(duì)腦工作機(jī)制的某些假設(shè)，從而加深我們對(duì)腦機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

在行為主義思潮之下，有些人總想僅僅通過(guò)提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和加大計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量來(lái)創(chuàng)造與人腦一樣聰明，甚至比人腦更聰明的機(jī)器。人們津津樂(lè)道計(jì)算機(jī)“深藍(lán)”擊敗了國(guó)際象棋冠軍卡斯帕洛夫(Гарри Кимович Каспаров，1963—)(圖4)，似乎“深藍(lán)”是真正有智能的，但是“深藍(lán)”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師許峰雄博士[14]說(shuō)：

“這場(chǎng)象棋大戰(zhàn)實(shí)際上是在承擔(dān)不同角色的兩種人之間進(jìn)行的：一方是棋手，另一方是工具制造者。加里和‘深藍(lán)’弈戰(zhàn)兩次，結(jié)局不同。在1996年的比賽中，作為棋手的人獲勝，而在1997年的重賽中，作為工具制造者的人獲勝?！盵15]

關(guān)于“深藍(lán)”計(jì)算機(jī)有沒(méi)有智能的問(wèn)題，他也直截了當(dāng)?shù)鼗卮鹫f(shuō)：

“‘深藍(lán)’是沒(méi)有智能的。它只是一個(gè)制作精良的工具，在一個(gè)限定的領(lǐng)域內(nèi)能夠表現(xiàn)出智能行為，加里是國(guó)際象棋大賽中的輸家，但是他是真正有智能的棋手?！盵15]

盡管沿著人工智能之路，近年來(lái)也取得了不俗的成就，如計(jì)算機(jī)“沃森”擊敗了幾屆電視知識(shí)搶答的冠軍，據(jù)說(shuō)最近有計(jì)算機(jī)通過(guò)了圖靈測(cè)試，但是對(duì)它們來(lái)說(shuō)，許峰雄的上述斷言依舊適用。僅僅用自上而下的方法在行為上模仿人的智能行為，并無(wú)助于我們認(rèn)識(shí)腦和心智的機(jī)制問(wèn)題。

這樣，一些人就企圖在作某些簡(jiǎn)化的條件下，模仿生物腦的局部機(jī)制，構(gòu)建在某些功能方面類(lèi)似于腦的機(jī)器。諾貝爾獎(jiǎng)得主埃德?tīng)柭?Gerald Edelman)的仿腦機(jī)(brain-based-devices (BBD)就是這類(lèi)研究的一個(gè)例子[16-17]。自1981年以來(lái)，埃德?tīng)柭_(kāi)發(fā)了一系列的仿腦機(jī)，它們通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。與傳統(tǒng)的機(jī)器人不同，仿腦機(jī)是通過(guò)從許多不同的仿真神經(jīng)回路中進(jìn)行選擇來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)的，而不是按照事先編制好的程序指令來(lái)工作的。他們開(kāi)發(fā)了一系列不同型號(hào)的仿腦機(jī)，模仿不同腦區(qū)，如海馬或小腦的功能。

例如有一種型號(hào)的仿腦機(jī)[18]可以在環(huán)境中自由行走，避開(kāi)障礙物，去取它看到的東西。在開(kāi)始時(shí)設(shè)計(jì)者只是在它的“腦”中設(shè)置兩條“價(jià)值觀”：光亮是好的；如果拾取的物體能通過(guò)它的金屬手給它充電是好的。其他一切就要通過(guò)它自己和環(huán)境打交道來(lái)獲取了。當(dāng)它在實(shí)驗(yàn)室里游逛時(shí)，它會(huì)遇到一些在其頂上涂有條紋記號(hào)或圓斑記號(hào)的鋼積木。當(dāng)它取起上面有條紋記號(hào)的積木時(shí)，有電流通過(guò)它的金屬手，它就知道這是“好味道”，而如果它取起上面有圓斑的積木，則沒(méi)有電流，它就認(rèn)為是“壞味道”。這樣它就把“味道”和看到的圖像聯(lián)系了起來(lái)，經(jīng)過(guò)多次這樣的經(jīng)驗(yàn)以后，它就只靠視覺(jué)來(lái)拾取有好味道的積木(圖5)。 在開(kāi)始時(shí)其中的神經(jīng)元是按照已知的解剖結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)成回路的，但是在和環(huán)境相互作用的過(guò)程中這些回路中的神經(jīng)元之間的連接權(quán)重會(huì)發(fā)生變化。對(duì)每個(gè)仿腦機(jī)來(lái)說(shuō)，這種變化的模式都是獨(dú)特的，因?yàn)樗鼈兊慕?jīng)歷不一樣。用仿腦機(jī)來(lái)研究這種變化的優(yōu)點(diǎn)是可以詳細(xì)地研究所有的神經(jīng)元、突觸和回路的活動(dòng)，而這在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上是更難做到的。

圖4 “深藍(lán)”和卡斯帕洛夫正在對(duì)弈

仿腦的另一條道路是直接用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)某些神經(jīng)組織，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造更為復(fù)雜的系統(tǒng)。這在現(xiàn)在被稱為“仿神經(jīng)結(jié)構(gòu)工程”。其奠基人美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家米德(Carver Andress Mead，1934—)是大規(guī)模集成電路的先驅(qū)。正當(dāng)他事業(yè)如日中天之時(shí)，他的興趣轉(zhuǎn)向了腦是如何進(jìn)行計(jì)算的問(wèn)題。他說(shuō)道：“我對(duì)于動(dòng)物視覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)制越來(lái)越佩服。我老是對(duì)自己說(shuō)：‘我永遠(yuǎn)也想不到這一點(diǎn)，但是這確實(shí)是一個(gè)好主意。’”[19]正是通過(guò)學(xué)習(xí)視網(wǎng)膜的神經(jīng)機(jī)制，他指導(dǎo)一位生物學(xué)出身的博士生馬霍瓦爾德(Michelle (Misha) Mahowald，1963—1996)以“硅視網(wǎng)膜”作為她的博士論文課題。馬霍瓦爾德的硅視網(wǎng)膜是一種模擬視網(wǎng)膜頭三層解剖結(jié)構(gòu)(感光細(xì)胞、水平細(xì)胞和雙極細(xì)胞)和功能原理的芯片(圖6)。對(duì)硅視網(wǎng)膜的測(cè)試結(jié)果表明，它對(duì)外界圖像的反應(yīng)和生物視網(wǎng)膜的反應(yīng)很類(lèi)似，甚至還能再現(xiàn)“赫爾曼格點(diǎn)”這樣的錯(cuò)覺(jué)現(xiàn)象(圖7)。

圖5 仿腦機(jī)在撿取頂上有條紋圖形的方塊[18]

圖6 硅視網(wǎng)膜線路的示意圖(引自http://tapec.uv.es/pardo/ doctorado/visionchips/vision_chips/mahowald_mead. html)

米德的學(xué)生和后繼者正在開(kāi)發(fā)具有生物真實(shí)性的神經(jīng)元電路硬件組成的系統(tǒng)，這樣的新器件大大降低了能耗，縮小了體積。他的學(xué)生博阿漢(Kwabena Boahen)在2009年已經(jīng)構(gòu)造出有100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)格超級(jí)計(jì)算機(jī)(Neurogrid supercomputer)(圖8)，這樣他們終于可以不再靠軟件和消耗大量能量在普通的計(jì)算機(jī)上工作了，而用固化在低能耗硅片上的大量硅神經(jīng)元來(lái)進(jìn)行仿真。他的“神經(jīng)網(wǎng)格”芯片不再需要編程，而是按照自己的物理性質(zhì)自動(dòng)進(jìn)行。他們把16個(gè)神經(jīng)網(wǎng)格芯片聯(lián)結(jié)起來(lái)，以模仿100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和60億個(gè)突觸聯(lián)結(jié)，而其消耗的能量不足1 W[20]。

圖7 赫爾曼格點(diǎn)(你在白條的交叉點(diǎn)上似乎能看到有一些暗斑，這就是所謂的赫爾曼格點(diǎn))

圖8 博阿漢實(shí)驗(yàn)室所研發(fā)的仿腦芯片中的電路一瞥[19]

即使這樣，腦中生物神經(jīng)元有著極大的多樣性，更不要說(shuō)還有著比神經(jīng)元數(shù)量多10倍的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，我們對(duì)此還很不了解。這些都會(huì)成為仿神經(jīng)結(jié)構(gòu)工程進(jìn)一步發(fā)展要遇到的難題。無(wú)論如何，不在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，而是直接用硬件實(shí)現(xiàn)性質(zhì)類(lèi)似于神經(jīng)組織的硅芯片給人類(lèi)建立“人工腦”之夢(mèng)開(kāi)創(chuàng)了一條可能的新路。

4 結(jié)語(yǔ)

最近在神經(jīng)科學(xué)界有兩件引起轟動(dòng)的大事，這就是歐盟啟動(dòng)了為期十年、投入10億歐元資金的“人腦計(jì)劃”，而美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬則宣布要啟動(dòng)一項(xiàng)為期更長(zhǎng)、耗資更大的“推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究”提議。這兩大計(jì)劃的一個(gè)共同特點(diǎn)就是都強(qiáng)調(diào)了多學(xué)科研究腦的重要性。雖然學(xué)者們關(guān)于這兩大計(jì)劃的具體內(nèi)容以及是否要把資金都投在一個(gè)大項(xiàng)目中還有爭(zhēng)議，但是在關(guān)于應(yīng)該斥巨資研究腦，應(yīng)該通過(guò)多學(xué)科交叉合作研究腦這樣一些問(wèn)題上并無(wú)爭(zhēng)論。由于這兩大計(jì)劃內(nèi)容龐大，要介紹清楚其內(nèi)容和目前存在的爭(zhēng)議，在本文這樣一篇短文中不可能展開(kāi)，好在筆者在近期已發(fā)表了幾篇文章[21-24]，有興趣的讀者可以參看。關(guān)于多學(xué)科研究腦的更詳細(xì)的介紹，以及對(duì)這兩大腦計(jì)劃的介紹和評(píng)述也可參看拙作《腦海探險(xiǎn)——人類(lèi)怎樣認(rèn)識(shí)自己》[25]。

(2014年11月21日收稿)

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Interdisciplinary studies on brain science with information science

GU Fan-ji
School of Life Sciences, Fudan University, Shanghai 200433, China

Studies on the brain and mind have been the frontier of scientific researches in the 21st century, their interdisciplinary studies with information science play a key role in such research. A historical review, an introduction about the state of the art, and a perspective of this interdisciplinary field are given in this article.

interdisciplinary studies, biological cybernetics, computational neuroscience, neuromorphic engineering, brain-like machine

(編輯：溫 文)

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.01.004

?通信作者，E-mail：fjgu@fudan.edu.cn