“雙腦融合”時代開啟

姚虹聿

近日，清華大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊展示能自主行駛的自行車，成為全球人工智能領(lǐng)域關(guān)注的焦點，它代表著人腦與電腦結(jié)合的一個發(fā)展方向。在人腦發(fā)明電腦70多年后，“雙腦融合”勢在必行——你中有我，我中有你?！半p腦”系統(tǒng)有望成為為人類服務(wù)的終極智能系統(tǒng)。

電腦與人腦的結(jié)合總體上有兩條可行的路徑：一條是從計算機科學(xué)出發(fā)，另一條是從腦科學(xué)出發(fā)。這兩條路徑有著不一樣的計算原理，不一樣的信號編碼方式，以及不一樣的應(yīng)用場景。因此，“雙腦融合”并不簡單。

目前全球各國科研人員所進(jìn)行的“雙腦融合”研究，基本上有三個方向：第一個方向是以神經(jīng)科學(xué)為基礎(chǔ)，模擬開發(fā)仿真人腦;第二個方向是用電腦監(jiān)測并影響人腦，從而指導(dǎo)、調(diào)整人的行為;第三個方向是以計算機科學(xué)為導(dǎo)向，讓電腦高度模擬人腦進(jìn)行計算、學(xué)習(xí)和“思考”，并指導(dǎo)人工智能系統(tǒng)的行為。

開發(fā)仿真人腦

2009年7月，英國牛津大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家亨利·馬克拉姆宣布，計劃用計算機制造出人類大腦，其復(fù)雜度可與真實人腦匹敵。這實際上是“雙腦融合”的第一個研究方向，即開發(fā)仿真人腦。2013年，歐盟委員會授予他驚人的10億歐元資金，資助他推動“人腦計劃”（HBP）。但是，HBP遭到許多科學(xué)家的強烈反對。

據(jù)英國《衛(wèi)報》報道，馬克拉姆的目標(biāo)不是在電腦中建立簡化版的人腦模型，而是要創(chuàng)造出復(fù)雜得令人眩目的人腦復(fù)制品，它包括組成人腦的神經(jīng)元，神經(jīng)元之間的電波活動，以及人腦細(xì)胞的基因編碼。它跳出了電腦硬件的范疇，是生物學(xué)意義上的器官——人造大腦。

這個計劃從一開始就招致廣泛的批評，許多神經(jīng)科學(xué)家都說這是個“荒謬的計劃”。人腦錯綜復(fù)雜，神經(jīng)元之間如何連接和協(xié)作，記憶如何形成，決定如何作出，這些機制在很大程度上仍是未知的，不可能在短時間內(nèi)被詳細(xì)破解。舉例來說，一種名為“秀麗隱桿線蟲”的生物，其神經(jīng)系統(tǒng)由302個神經(jīng)元組成，給它建立電腦模型已經(jīng)是很困難的事情，要知道，人腦共有約860億個神經(jīng)元！

馬克拉姆的研發(fā)進(jìn)程果然非常緩慢。直到2015年，他創(chuàng)立的企業(yè)“藍(lán)腦計劃”才發(fā)布了模擬小白鼠3萬個腦神經(jīng)元的電腦模型（僅占小白鼠腦神經(jīng)元總數(shù)的0.15%）。有批評者稱，這項工作實際上已經(jīng)失敗了——照這樣的速度，什么時候才能建立人腦神經(jīng)元模型？開發(fā)出仿真人腦更是遙遙無期。

目前仍有140人在為馬克拉姆的“藍(lán)腦計劃”服務(wù)，嘗試“描繪越來越大的腦區(qū)，并在生理方面準(zhǔn)確地模擬人腦”。該公司對于“雙腦融合”的未來仍然有著夸張的展望。麻省理工學(xué)院媒體實驗室創(chuàng)始人尼古拉斯·尼戈朋特是“藍(lán)腦計劃”的堅定支持者，他說：“我們需要的是突破，然后成果就會以指數(shù)級增長。想象一下，一個高度接近人腦的生物學(xué)控制系統(tǒng)，將給工業(yè)、醫(yī)療和信息產(chǎn)業(yè)帶來一場怎樣的革命?！?h3>電腦控制人腦

美國陸軍的科研人員一直在嘗試了解人腦是如何運作的。近日，美國陸軍研究實驗室（ARL）的科學(xué)家開始試驗用電腦監(jiān)控士兵的腦電波。這項工作旨在通過將人工智能與人腦結(jié)合，了解士兵的思維模式、情緒和感受，并相應(yīng)地通過腦電波刺激來調(diào)整士兵的行為。這實際上是“雙腦融合”的第二個研究方向：用電腦監(jiān)控甚至影響人腦。

一直以來，ARL的主要研究工作就是探索士兵的各種生理指標(biāo)，從最初的測謊一直發(fā)展到如今的腦電波讀取和電波刺激。這項研究的第一步是關(guān)注士兵身體上可以被測量的所有生理信號，從而分析他的狀態(tài);接下來就是閱讀腦電波變化所揭示的思想和情緒;最后是用電腦影響甚至控制人腦，達(dá)到調(diào)整士兵行為的目的。

電腦如何影響人腦？美軍出于保密考慮，不會對外界透露試驗的具體方法。不過，從其他機構(gòu)的同類研究可以看出端倪。美國加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家表示，在該校癲癇中心志愿者的幫助下，科學(xué)家做到了用電腦控制人腦的部分活動。這些志愿者的大腦被植入了微型電極，植入時間是一個星期或稍長，目的是記錄癲癇發(fā)作時的腦電波變化，為神經(jīng)外科手術(shù)做準(zhǔn)備。在此期間，志愿者們同意科研人員用植入的電極開展一些研究。經(jīng)過大量的實驗，加州大學(xué)舊金山分校建立了用電腦影響人腦的工作模式——“腦機接口”，并進(jìn)行了有效的應(yīng)用。

因腦干中風(fēng)、脊髓損傷、神經(jīng)退行性疾病或其他原因?qū)е旅姘c的患者，會部分或完全喪失說話的能力。然而，他們控制下顎、嘴唇、舌頭和喉部肌肉的大腦區(qū)域通常沒有損傷。因此，只要讓他們的大腦恢復(fù)下達(dá)指令的能力，他們就能說話。于是，科研人員給一些患者的大腦植入電極，用電腦指導(dǎo)人腦工作。這些患者表達(dá)語言的腦細(xì)胞被激活，又能開口說一些簡單的詞語了。此前，由于癱瘓而導(dǎo)致失語的患者，只能用眼球運動或肌肉抽搐來控制電腦界面，從而非常緩慢地拼寫單詞?，F(xiàn)在，他們看到了希望。

腦機接口技術(shù)的發(fā)展非常快，它不僅打開了公眾的“腦洞”，同時也引發(fā)了倫理方面的擔(dān)憂和質(zhì)疑。有一些科學(xué)家堅決反對給人腦植入電極。從安全性來看，目前植入式腦機接口技術(shù)在植入過程中通常會對大腦造成一定損傷，而且植入一段時間后，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞會將電極包裹起來，監(jiān)測到的腦部信號會越來越弱，有時需要二次植入電極。同時，也不能排除腦部感染的風(fēng)險。

除了安全性，人們還有一個擔(dān)憂：人腦發(fā)射的電波信號屬于個體的生理和隱私數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段，腦機接口只能解讀十分有限的腦電波信號，還達(dá)不到人們所擔(dān)憂的“泄露隱私”的程度。但從長遠(yuǎn)來看，確實需要考慮隱私保護(hù)的問題。

高度模擬人腦

據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志報道，懷疑馬克拉姆和“藍(lán)腦計劃”的人，并非完全反對“模擬大腦”這個設(shè)想，但他們認(rèn)為，應(yīng)該努力建立模型去解決實際問題?；F盧大學(xué)教授克里斯·伊利亞史密斯建立了一個模型，用250萬個虛擬神經(jīng)元進(jìn)行簡單的計算，并解決一些基本的推理問題。伊利亞史密斯表示：“我們并非要打造仿真人腦——在我們的有生之年可能都做不到。我們只是建造一個人工智能系統(tǒng)，讓它嘗試像人一樣思考?！?/p>

這實際上是“雙腦融合”的第三個研究方向，讓電腦高度模擬人腦進(jìn)行運算和“思考”。清華大學(xué)開發(fā)出全球首款異構(gòu)融合類腦計算芯片——Tianjic芯片，它不僅具備基于計算機科學(xué)的算法，還可以實現(xiàn)受大腦工作原理啟發(fā)而形成的神經(jīng)計算模型和多種編碼方案。

為了證明構(gòu)建類腦式智能系統(tǒng)的可行性，清華大學(xué)的科研團(tuán)隊利用無人駕駛自行車展示了異構(gòu)可擴(kuò)展人工通用智能平臺，在一塊Tianjic芯片內(nèi)部署并同時運行多個網(wǎng)絡(luò)。實驗中的自行車配備了多種算法和模型，能夠執(zhí)行實時物體監(jiān)測跟蹤、語音命令識別、加速、減速、躲避障礙、控制平衡和決策等任務(wù)。

據(jù)英國《自然》雜志報道，Tianjic芯片以及以它為核心的運算系統(tǒng)，是一個與人腦類似的多模態(tài)系統(tǒng)，而不是像傳統(tǒng)的人工智能系統(tǒng)那樣只做算法和應(yīng)用。作為一個覆蓋感知、決策和執(zhí)行的完整鏈路，這種系統(tǒng)未來能夠給“雙腦融合”的多種模型提供支持。它不是生物學(xué)意義上的大腦，不是仿真人體器官，其本質(zhì)還是電腦。但它能與真實的環(huán)境進(jìn)行交互，而不只是在機房里做實驗或者在電腦里做仿真。報道認(rèn)為，這應(yīng)該是“雙腦融合”的最佳發(fā)展方向。

電腦早就超越了人腦，一些人們認(rèn)為只有天才具有的令人嘆為觀止的能力，其實電腦可以輕松做到，例如快速記憶、速算等。但是，在許多方面，電腦與人腦還有相當(dāng)大的距離，例如學(xué)習(xí)能力、自主決策等。值得關(guān)注的是，電腦正在逐漸縮小與人腦的差距。至于最后它能否全面超越人腦，還是個未知數(shù)。對于人類來說，要完全管控人工智能的風(fēng)險，也許“雙腦融合”是最有效的方式——你中有我，我中有你?！半p腦”系統(tǒng)有望成為為人類服務(wù)的終極智能系統(tǒng)。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com