“雙腦融合”時代開啟

姚虹聿

近日，清華大學研發團隊展示能自主行駛的自行車，成為全球人工智能領域關注的焦點，它代表著人腦與電腦結合的一個發展方向。在人腦發明電腦70多年后，“雙腦融合”勢在必行——你中有我，我中有你。“雙腦”系統有望成為為人類服務的終極智能系統。

電腦與人腦的結合總體上有兩條可行的路徑：一條是從計算機科學出發，另一條是從腦科學出發。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科學為基礎，模擬開發仿真人腦;第二個方向是用電腦監測并影響人腦，從而指導、調整人的行為;第三個方向是以計算機科學為導向，讓電腦高度模擬人腦進行計算、學習和“思考”，并指導人工智能系統的行為。

開發仿真人腦

2009年7月，英國牛津大學神經科學家亨利·馬克拉姆宣布，計劃用計算機制造出人類大腦，其復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遭到許多科學家的強烈反對。

據英國《衛報》報道，馬克拉姆的目標不是在電腦中建立簡化版的人腦模型，而是要創造出復雜得令人眩目的人腦復制品，它包括組成人腦的神經元，神經元之間的電波活動，以及人腦細胞的基因編碼。它跳出了電腦硬件的范疇，是生物學意義上的器官——人造大腦。

這個計劃從一開始就招致廣泛的批評，許多神經科學家都說這是個“荒謬的計劃”。人腦錯綜復雜，神經元之間如何連接和協作，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，不可能在短時間內被詳細破解。舉例來說，一種名為“秀麗隱桿線蟲”的生物，其神經系統由302個神經元組成，給它建立電腦模型已經是很困難的事情，要知道，人腦共有約860億個神經元！

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

目前仍有140人在為馬克拉姆的“藍腦計劃”服務，嘗試“描繪越來越大的腦區，并在生理方面準確地模擬人腦”。該公司對于“雙腦融合”的未來仍然有著夸張的展望。麻省理工學院媒體實驗室創始人尼古拉斯·尼戈朋特是“藍腦計劃”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級增長。想象一下，一個高度接近人腦的生物學控制系統，將給工業、醫療和信息產業帶來一場怎樣的革命。”

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）的科學家開始試驗用電腦監控士兵的腦電波。這項工作旨在通過將人工智能與人腦結合，了解士兵的思維模式、情緒和感受，并相應地通過腦電波刺激來調整士兵的行為。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，從最初的測謊一直發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;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，達到調整士兵行為的目的。

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，從其他機構的同類研究可以看出端倪。美國加州大學舊金山分校的科學家表示，在該校癲癇中心志愿者的幫助下，科學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，目的是記錄癲癇發作時的腦電波變化，為神經外科手術做準備。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。經過大量的實驗，加州大學舊金山分校建立了用電腦影響人腦的工作模式——“腦機接口”，并進行了有效的應用。

因腦干中風、脊髓損傷、神經退行性疾病或其他原因導致面癱的患者，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域通常沒有損傷。因此，只要讓他們的大腦恢復下達指令的能力，他們就能說話。于是，科研人員給一些患者的大腦植入電極，用電腦指導人腦工作。這些患者表達語言的腦細胞被激活，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。現在，他們看到了希望。

腦機接口技術的發展非常快，它不僅打開了公眾的“腦洞”，同時也引發了倫理方面的擔憂和質疑。有一些科學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，神經膠質細胞會將電極包裹起來，監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險。

除了安全性，人們還有一個擔憂：人腦發射的電波信號屬于個體的生理和隱私數據。現階段，腦機接口只能解讀十分有限的腦電波信號，還達不到人們所擔憂的“泄露隱私”的程度。但從長遠來看，確實需要考慮隱私保護的問題。

高度模擬人腦

據英國《新科學家》雜志報道，懷疑馬克拉姆和“藍腦計劃”的人，并非完全反對“模擬大腦”這個設想，但他們認為，應該努力建立模型去解決實際問題。滑鐵盧大學教授克里斯·伊利亞史密斯建立了一個模型，用250萬個虛擬神經元進行簡單的計算，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，讓它嘗試像人一樣思考。”

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行運算和“思考”。清華大學開發出全球首款異構融合類腦計算芯片——Tianjic芯片，它不僅具備基于計算機科學的算法，還可以實現受大腦工作原理啟發而形成的神經計算模型和多種編碼方案。

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

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

電腦早就超越了人腦，一些人們認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大的距離，例如學習能力、自主決策等。值得關注的是，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。對于人類來說，要完全管控人工智能的風險，也許“雙腦融合”是最有效的方式——你中有我，我中有你。“雙腦”系統有望成為為人類服務的終極智能系統。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com