從腦科學到人工智能的機遇與挑戰(zhàn)

戴瓊海

IT產(chǎn)業(yè)變革周期十分頻繁，平均每10年就會發(fā)生一次技術(shù)變革，如今已進入計算技術(shù)和人工智能技術(shù)為代表的智能化時代。

人工智能和腦科學都是我們關(guān)注的未來技術(shù)，但目前相關(guān)研究看似兩條平行線，人工智能領(lǐng)域研究依靠的是科學家和工程師，而腦科學屬于生命科學范疇，兩條平行線如何能相交，是我們需要探索和解決的問題。

腦科學進步將有力推動人工智能發(fā)展

當前，人工智能的研究和應用如火如荼，它已成為“工具”，逐漸滲透人類的生活，代替人類進行重復性工作，越來越多的機器將解放人類勞動力去追求創(chuàng)造性。

但從人工智能60年發(fā)展歷程來看，其算法離實現(xiàn)理想智能還有距離，迫切需要對腦科學進行探索。因為現(xiàn)有的人工智能還只是借鑒了以前的一些算法來理解，是被動的人工智能，而人的認知是具有主動性的。

我認為，腦科學的認知是生命科學的最后一個堡壘。人的大腦一般為1.4公斤左右，在大腦皮層有上百億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元又包含一千多個分支，可謂十分復雜。腦科學的發(fā)展不僅對于腦疾病的防治有著巨大推動作用。更不為人知的是，腦科學研究還有助于在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中設(shè)計實現(xiàn)新的學習機理與拓撲結(jié)構(gòu)。換句話說，腦科學的進步將強有力地推動人工智能的進一步發(fā)展。

簡單介紹一個案例，1981年，David Hubel和Torsten Wiesel發(fā)現(xiàn)了視覺系統(tǒng)的信息處理，可視皮層是分級的，分成了V1、V2、V3、V4多個區(qū)域，這個發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對于神經(jīng)系統(tǒng)的進一步思考。神經(jīng)-中樞-大腦的工作過程，或許是一個不斷迭代、不斷抽象的過程。

而人工智能也在不斷發(fā)展，開始進入包括腦科學的認知機理在內(nèi)的“生物智能”發(fā)展階段。

眾所周知，Hinton是深度網(wǎng)絡(luò)的發(fā)明者。在Google人工智能首次完 勝人類圍棋冠軍后，深度網(wǎng)絡(luò)更是席卷全面。

但在今年的人工智能大會上，Hinton開始堅決反對他提出的深度網(wǎng)絡(luò)，可以說是推翻了他提的理論。

再說IBM的True North，它內(nèi)置了4096個內(nèi)核，2.56億個軸突。目前，IBM在做第二代人工智能時也放棄了這種類人腦芯片，認為要從腦科學進行研究。2016年，美國啟動了阿波羅項目，其最重要的目標就是研究大腦的計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并用這些研究發(fā)現(xiàn)更好的機器學習和人工智能學習算法，該項目由哈佛大學團隊做成像，卡內(nèi)基大學團隊做算法，貝勒醫(yī)學院去觀察機器學習思考模式是如何變化的。

腦計劃研究的挑戰(zhàn)

目前，世界各國都制定了腦計劃研究的相應策略。例如，美國腦計劃在2013年4月2日就開始實施。歐盟、中國的腦計劃研究現(xiàn)在也開始出臺，總的思路是探索腦科學秘密，研究人類大腦成像技術(shù)機制，統(tǒng)計大腦細胞類型，把神經(jīng)科學與理論模型統(tǒng)計學進行整合。

那么，美國腦計劃的核心是要干什么？要解決什么問題？我們發(fā)現(xiàn)，首先是機器開發(fā)，要開發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；其次是描述人類大腦成像技術(shù)的機器，所以說成像技術(shù)，也就是大的顯微鏡成為腦科學研究的重要瓶頸。

迫切的需求是什么呢？是在體的大市場。所謂在體就是活體，大家可以看到，目前的顯微鏡可以看到靜態(tài)的細胞結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，但是看不到功能，如何把兩者統(tǒng)一起來，做這方面的觀測儀器，是一個重大的挑戰(zhàn)。

腦科學研究的市場比較大，但新型的成像儀器無法兼顧高視場、多尺度。目前，我們成立了“類腦智能技術(shù)及應用國家工程實驗室”。這個實驗室一開始做的是流媒體，后來做立體，現(xiàn)在主要在做生命科學的儀器。

2015年之前，我們先是做了設(shè)計驗證，然后開始平臺構(gòu)建，2016年時進行模塊裝配，一直到2017年完成了系統(tǒng)集成，這個儀器目前占據(jù)了我們實驗室120平方米大的地方。我們實驗室其實很鼓勵學生自己搭系統(tǒng)，充分發(fā)揮他們的自由創(chuàng)造能力，但是這并不是說未來研究都是以交叉項目為主導的。有的老師就專心做該學科的課題，而有的老師，比如我則致力于跨學科的研究。

目前，我們的儀器做了三種類型的突破性實驗。

第一個實驗方向，我們是和解放軍總醫(yī)院、北京大學、上海神經(jīng)所，以及北師大團隊一起共同來探索的。但是這里面有一個假設(shè)，1991年開始假設(shè)神經(jīng)元和血管之間的耦合機制，現(xiàn)在沒有明確，這只是一個假設(shè)，因為通過現(xiàn)在的看法推翻不了這個假設(shè)，也證明不了這個假設(shè)，我們的儀器企圖在這方面做出貢獻，目前已經(jīng)開始做出貢獻。

大家知道，人的十個手指頭代表了腦需的不同部位，通過這里面可以看到血管的收縮和神經(jīng)元的包體，可以看到它們之間有沒有關(guān)系。當然我們目前只做了一部分實驗，這還需要長期的實驗觀測才能得到相應的結(jié)論，一旦這個結(jié)論出來，在國際上也是一個顛覆性的結(jié)論。這是我們做的一大探索。

第二個探索是大腦與疾病的關(guān)系，我們做了全腦尺度免疫保護機理研究，要判斷免疫細胞的流動和腫瘤細胞的流動是相反的方向，這樣對我們研究腫瘤起到一個非常大的作用。

還有一個遷移免疫細胞的軌跡，能測算出來它走的路徑和它所做的事。目前，全腦尺度免疫保護機理研究，關(guān)系到中風的問題，大家可以看到一個放量過程，可以看到癲癇病人神經(jīng)元死亡范圍有多大。

第三個探索是要推動人工智能的跨越式發(fā)展，在這里面我們做了一個目標對比。通過從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)到功能網(wǎng)絡(luò)動態(tài)，我們看到了一個清醒的全腦，并能夠把兩者統(tǒng)一起來。這是我們做的小鼠聽音樂的實驗，觀察小鼠神經(jīng)元概率的變化，它的血管變化和神經(jīng)元概率的變化。

中國腦計劃與人工智能發(fā)展機遇

目前，腦計劃作為重大科技項目已被列入國家“十三五”規(guī)劃。

中國科學家在2015年，就對腦科學與類腦研究在中國“一體兩翼”的部署達成了初步共識，即以闡釋人類認知的神經(jīng)基礎(chǔ)（認識腦）為主體和核心（一體），同時展現(xiàn)“兩翼”：其中一翼是大力加強預防、診斷和治療腦重大疾病的研究（保護腦）；另一翼是在大數(shù)據(jù)快速發(fā)展的時代背景下，受大腦運作原理及機制的啟示，通過計算和系統(tǒng)模擬推進人工智能的研究（模擬腦）。

腦科學項目實施也是深圳市人工智能重點發(fā)展的一個戰(zhàn)略布局。

我認為，在腦科學與人工智能領(lǐng)域，深圳市的發(fā)展機遇應該是很大的，行業(yè)應用很廣，很多地方都可以用到人工智能。

我的體會有以下幾點：第一，腦科學與人工智能研究將是覆蓋深圳全行業(yè)的科技革命；第二，腦科學和人工智能將成為深圳科技產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)從高速到高質(zhì)量發(fā)展的利器；第三，引領(lǐng)創(chuàng)新、突破核心，人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展將拉動深圳市立體布局；第四，深圳市要吸引國際國內(nèi)有影響力的團隊，建立腦認知、腦疾病、模擬腦研究機構(gòu)，構(gòu)筑產(chǎn)學研聯(lián)盟，從而為深圳的產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻力量。