智能時(shí)代腦科學(xué)的核心是探索智力的本質(zhì)及其實(shí)現(xiàn)

郭愛克

人們常說，宇宙、物質(zhì)、生命和大腦是自然界的四大奧秘。中國人常說“天人合一”，人腦的神經(jīng)元數(shù)量超過了整個(gè)銀河系星星的數(shù)量，大概有1000億個(gè)。人腦是智力演化最偉大的奇跡，它是“靈性的王國”。許多世紀(jì)以來，哲學(xué)家、科學(xué)家，尤其是心理學(xué)大家們孜孜求索人的本質(zhì)、心的本質(zhì)、腦的本質(zhì)（即智力的本質(zhì)），試圖回答人腦是如何工作的，人的精神現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的，物質(zhì)如何變成精神，精神如何變成物質(zhì)等問題。恩格斯曾將“思維著的精神”比作是“地球上最美的花朵”，何等的生動(dòng)、深刻而美妙。人腦是非常精細(xì)、復(fù)雜、優(yōu)美、可塑的器官，它是集智慧之大成，集大成之智慧，它以其非凡的智力造就了人類知識(shí)體系和文明的社會(huì)傳承。

腦科學(xué)是探索心－智關(guān)系（brain and mind）（或稱“神－智”、“腦－智”）的科學(xué)，是研究人、動(dòng)物和機(jī)器的認(rèn)知與智能的本質(zhì)與規(guī)律的科學(xué)?；卮鹬橇蛣?chuàng)造性是從哪里來的，什么是記性，什么是忘性，什么是個(gè)性，什么是人性，什么是德性，什么是理性，什么是創(chuàng)造性，什么是社會(huì)性，怎樣做決策，如何防范腦疾病的定時(shí)炸彈，如何推遲腦衰老，能否創(chuàng)造腦式的人工智能系統(tǒng)等。其科學(xué)目標(biāo)是認(rèn)識(shí)和理解腦，保護(hù)和促進(jìn)腦，開發(fā)和創(chuàng)造腦。

什么是智力？瑞士發(fā)展心理學(xué)家讓·皮亞杰（Piaget，1896—1980），將“適應(yīng)（adaptation）看作是智力的本質(zhì)，人的智力的發(fā)展過程被視為其適應(yīng)水平不斷提高的過程”“智力就是你不知道怎么辦時(shí)動(dòng)用的東西”。

Hawkins提出了智力的框架是“記憶—預(yù)測”（“the memoryprediction framework: Intelligence is measured by the capacity to remember and predict patterns in the world，…”）。O’Reilly則傾向認(rèn)為智力的全部屬性就是“目標(biāo)堅(jiān)守和與時(shí)俱進(jìn)”（“full story of our intelligence”，“robust active maintenance of goals and other task-relevant information，and rapid updating of this information to keep pace with a changing environment or task”）。

本文提出智力就是“記憶－預(yù)測－抉擇”的理論框架。有學(xué)習(xí)才有記憶，有記憶才有預(yù)測，有預(yù)測才有抉擇，有抉擇才有智慧。記憶代表神經(jīng)系統(tǒng)存儲(chǔ)過往經(jīng)驗(yàn)的能力，它將現(xiàn)在和過去聯(lián)系起來，做出有利于個(gè)體和種群發(fā)展的判斷。抉擇是指人或動(dòng)物在風(fēng)險(xiǎn)和不確定條件下，基于知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，權(quán)衡利弊得失，選擇策略和行動(dòng)的過程。抉擇就是力求利益最大化，風(fēng)險(xiǎn)和損失最小化的過程。生命就是不斷地做出抉擇的連續(xù)鏈條，無論是果蠅（Drosophila melanogaster），還是人類（Homo sapiens）概不能外，不過尺度是不同的。果蠅的抉擇是在一個(gè)小的尺度上，更多是趨利避害，而人類的抉擇是在一個(gè)超越這個(gè)星球上的任何一個(gè)物種的大尺度上進(jìn)行的，如生與死、愛與恨、智與愚、戰(zhàn)爭與和平的抉擇。在每一個(gè)抉擇拐點(diǎn)上，人類的大腦能最大限度地調(diào)用全部的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)積累，包括這個(gè)物種在生命演化的歷史長河中所學(xué)到的，包括每個(gè)個(gè)體在人生道路上所學(xué)到的，還包括從歷史和社會(huì)的文化傳承所學(xué)到的（“our brains allow each of us to bring a maximum amount of learning and experience to each and every choice point, all that our species has learned and all that we have learned in our lifetimes. A fly does this to some small degree，and we do it to a large degree-more than any other creature on this planet”）。抉擇將過去、現(xiàn)在和未來聯(lián)系起來，它是人類理性的來源。抉擇涉及感覺信息注冊(cè)、價(jià)值表征、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行等若干步驟，每個(gè)步驟都需要征用若干腦功能區(qū)，這些腦功能區(qū)之間聯(lián)系就構(gòu)成了抉擇行為相關(guān)的腦聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

到哪里去尋找智力實(shí)現(xiàn)的秘密？克里克（Crick）作了準(zhǔn)確的回答，“我們至今沒有繪制出人類大腦的聯(lián)結(jié)圖，這是一件無法忍受的事情，沒有它就別指望能了解大腦是如何工作的”（It is intolerable that we donot have this information （the connectional map） for the human brain，without it there is little hope of understanding how our brains work except in the crudes way）。在經(jīng)歷了60年的電生理記錄、40年的分子生物學(xué)介入以及20年的腦核磁成像（magnetic resonance imaging，MRI）后，腦科學(xué)正在實(shí)現(xiàn)研究策略的革命性轉(zhuǎn)變。智能時(shí)代的腦科學(xué)必是將基因組、蛋白質(zhì)組、神經(jīng)聯(lián)結(jié)組、腦網(wǎng)絡(luò)組等進(jìn)行有效地集成和大規(guī)模會(huì)聚的大科學(xué)前沿。大量神經(jīng)元相互作用、相互協(xié)作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)自發(fā)地涌現(xiàn)出動(dòng)態(tài)重構(gòu)等復(fù)雜自組織行為，這種自組織模式被認(rèn)為是腦高級(jí)認(rèn)知功能產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)通過個(gè)體間相互作用產(chǎn)生全新的自組織整體行為的過程，存在于腦系統(tǒng)的各個(gè)層次。所以，對(duì)腦功能的破譯需要在多個(gè)層次上解析腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)方式與規(guī)則，最終得到腦網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)其功能的“線路設(shè)計(jì)圖”，這是腦科學(xué)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。有了這個(gè)藍(lán)圖，才可能理解腦在整體上是如何工作的，才能揭示神經(jīng)認(rèn)知退行性疾病是怎樣發(fā)生的，才有可能突破馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系原理；構(gòu)建出新型腦機(jī)智能技術(shù)體系，研發(fā)出低耗、高速、具備自適應(yīng)能力的類腦神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片、新一代計(jì)算機(jī)及通訊網(wǎng)絡(luò)、類腦智能機(jī)器人。

中國科學(xué)院經(jīng)過約2年的醞釀、準(zhǔn)備和凝煉，于2012年11月啟動(dòng)了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）“腦功能聯(lián)結(jié)圖譜計(jì)劃”（mapping brain functional connections，MBFC，簡稱腦功能圖譜，2012—2020）。其科學(xué)內(nèi)涵是針對(duì)特定腦功能神經(jīng)聯(lián)結(jié)通路及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的解析及模擬，不是全腦神經(jīng)聯(lián)結(jié)組學(xué)，而是限定在對(duì)特定腦功能的神經(jīng)聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)作圖。該專項(xiàng)研究下設(shè)5個(gè)項(xiàng)目：感知覺聯(lián)結(jié)圖譜、學(xué)習(xí)記憶與老年癡呆聯(lián)結(jié)圖譜、情緒與抑郁癥聯(lián)結(jié)圖譜、抉擇與成癮聯(lián)結(jié)圖譜、腦功能聯(lián)結(jié)圖譜關(guān)鍵技術(shù)。研究含4個(gè)層次：在納米尺度主要聚焦神經(jīng)元間突觸連接的信息傳遞及其分子調(diào)控；在微米尺度主要聚焦相互聯(lián)結(jié)且數(shù)量龐大的神經(jīng)環(huán)路及其網(wǎng)絡(luò)；介觀層次對(duì)應(yīng)數(shù)百微米分辨率，主要考察類似皮層功能柱的基本單元之間的聯(lián)結(jié)規(guī)律；宏觀層次指毫米級(jí)空間分辨率的不同功能腦區(qū)的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。該專項(xiàng)的目標(biāo)（2012—2020）是力求完整地描述大腦的4類重要腦功能（感覺、情緒、記憶及抉擇）在正常態(tài)和病態(tài)期的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)的構(gòu)造、運(yùn)作方式和機(jī)制。目標(biāo)并不在于描述全體神經(jīng)細(xì)胞的全部電活動(dòng)，而在于描述各腦區(qū)特殊種類神經(jīng)細(xì)胞群之間有功能的聯(lián)結(jié)和運(yùn)作。

當(dāng)今，腦式計(jì)算或類腦智能被熱烈地討論著。筆者想起了在顧凡及《腦科學(xué)的故事》一書中講述的故事：兩位德國青年哈森斯坦（Bernhard Hassenstein）和拉夏德（Werner Reichardt），一個(gè)是學(xué)習(xí)生物學(xué)的大學(xué)生（21歲），另一個(gè)是學(xué)習(xí)物理學(xué)的大學(xué)生（19歲），在二戰(zhàn)期間都被征了兵。他們相約如果能活下去，一定要做成一件大事—建立一個(gè)綜合物理學(xué)和生物學(xué)的研究所。1958年他們通過對(duì)甲蟲視動(dòng)反應(yīng)的研究建立了初級(jí)運(yùn)動(dòng)檢測模型，開創(chuàng)了視覺運(yùn)動(dòng)檢測研究的先河。盡管拉夏德是學(xué)習(xí)物理出身的，但是對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)非常重視，后來他告誡青年人：“理論必須每時(shí)每刻都和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合。我不相信無中生有的腦科學(xué)理論會(huì)有任何機(jī)會(huì)取得成功”。多年以后，當(dāng)《Current Biology》雜志問當(dāng)今計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的領(lǐng)軍人物之一波吉奧（Tomaso Poggio）“什么是您得到過的最好的勸告”，他就以拉夏德的這段話相贈(zèng)，并且還說：“我對(duì)每一位想從事計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的學(xué)生都強(qiáng)調(diào)同樣的思想”。發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新是腦科學(xué)的生命，研究者們要力爭提出新問題、新觀念、新原理、新技術(shù)，做到“有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明，有所創(chuàng)造，有所前進(jìn)”。腦科學(xué)是一個(gè)具有無限可能性的領(lǐng)域，人類完全可以期待著從腦科學(xué)那里獲得最為令人驚奇的啟迪，并拉開人類歷史上的智能革命的大幕。