為何神經網絡難以超越

張田勘

生物演化過程中極為重要的一環是動物逐漸產生了大腦和神經網絡，人類的大腦和神經網絡更復雜。這也引發了人類對自身神經網絡的模仿，其中一個最具歷史意義的模仿成果是虛擬網絡—互聯網。不過，即便目前互聯網蓬勃發展，也還比不上人的大腦和神經網絡。人類大腦皮層包含約140億～160億個神經元（神經細胞），小腦中包含大約550億～700億個神經元。每個神經元都通過突觸和其他數千個神經元及周圍神經相連。神經元之間通過軸突纖維進行或長或短的聯系，以傳遞信息，包括生物電信號和神經遞質，從而產生不同的行為、理念、思維。

神經元就像互聯網上的電腦IP地址，就在幾年前，全世界的IP地址還沒有人類大腦和小腦中的神經元多。2019年11月25日，互聯網通信協議（TCP/IP協議）第四版（IPv4）的約43億個地址已經分配完畢。為了解決IP地址不足的問題，人類啟動了互聯網通信協議（TCP/ IP協議）第6版（IPv6）。IPv6的地址數可能比全世界的沙子還要多，足以解決目前IPv4地址量不足的問題。如果IPv6能順利分配，IP地址數量將超過人的大腦和神經網絡的神經元，也意味著人類創造的互聯網虛擬系統可以聯接的計算機在數量上超越了人的大腦和神經網絡的所有神經元。

但是，這只是簡單的數量上的超越。互聯網虛擬系統在行為能力、信息傳遞和實際意義解讀方面要超越人的大腦和神經網絡可能還有很長的路要走。在信息接收上，每個IP地址都需要先后經過應用層→傳輸層→網絡層→數據鏈路層→物理層。而且，在信息發出的請求過程中，一個請求數據也會經過層層包裝，從應用層到物理層，每一層把上一層的數據報文包裝后加上一層頭部信息再傳給下一層。顯然，這種信息的傳遞和接收方式非常復雜。只有信息能傳遞和接收，每個人的計算機才能讀出信息所表達的意義。這些“意義”又是人類演化過程中的另一個虛擬網絡—語言符號系統創造的，而且不同的語言有不同的結構和意義系統，同樣非常復雜。

比較而言，人的大腦和神經網絡可能具有更簡單的信息傳遞方式和意義解讀方法，通過神經突觸間的不同電位和神經遞質，如多巴胺、乙酰膽堿、五羥色胺等傳遞不同的信息，并指揮人的行動。從生物演化來看，既然演化產生了不同的物種，就可能呈現既有共性又有不同特點的大腦和神經網絡。人和鳥類的大腦和神經網絡的差異就造成了人只能行走和跑步，鳥卻能飛翔。

以色列耶路撒冷希伯來大學醫學院和美國俄勒岡健康與科學大學的一個研究團隊對雞和老鼠胚胎的神經網絡進行了研究。研究者發現，鳥類的ephrin-B3基因的遺傳編碼與哺乳動物和爬行動物有本質上的不同。這種不同通過神經網絡把鳥類和大部分哺乳動物區分開來，使得鳥類能夠振翅翱翔，但人類只能行走，老鼠只能爬行。

ephrin-B3基因也存在于哺乳動物中，在演化中，鳥類的ephrin-B3基因產生突變或缺失。基因的變化幫助鳥類發展出了一種神經網絡，激活了一個非常協調的運動模式，即同時拍動翅膀，才能飛翔。有人認為人類是通過模仿鳥類飛行而發明了飛機，事實上，盡管鳥兒飛翔對人類有啟示，但飛機飛行的大部分原理并非效仿鳥類。像鳥兒飛翔那樣的撲翼機從古至今都沒有被應用于實踐，說明撲翼機實在太過復雜。

盡管人和動物的神經網絡不同，人和動物的神經網絡也與人創造的互聯網虛擬網絡不同，但是通過對各類神經網絡的研究，人們可以從神經網絡的構造、分布和特點來認識和理解生命，并應用于疾病診斷和治療，促進健康，延長壽命。

人們早就知道，疾病會影響大腦和神經網絡。現在，科學家對精神疾病、神經疾病影響大腦和神經網絡有了新的認知。美國得克薩斯大學的研究人員近日發表的一項研究表明，43種大腦疾病（包括精神疾病和神經疾病）會導致大腦神經網絡退化，證明了一種被稱為“網絡退化假說”的理論。根據這一理論，與疾病有關的神經結構性損害也損傷了指導人類行為的神經網絡。

病原體對大腦和神經造成的損害可以產生兩大類疾病，一類是精神疾病，是由于病原體損害大腦細胞和組織造成人的認知和情感障礙，并體現為一系列癥狀，如精神分裂癥；另一類是神經疾病，也是病原體損害神經（包括中樞和周圍神經）而導致運動和行為的疾病，如肌萎縮性脊髓側索硬化癥（ALS）。這兩類疾病都可以引發大腦和神經網絡的退化。

研究人員通過“大腦地圖”（BrainMap）檢索了2萬多個實驗并進行分析，比較了正常行為中使用的大規模功能網絡的連接模式與疾病相關的“共變”模式，有了新的發現。該項研究的通訊作者皮特·福克斯教授認為，在他們觀察到的20個與疾病相關的共變網絡中，有14個在空間上與參與正常行為的功能網絡（如運動、感知、情感、語言、問題解決、記憶編碼）存在高度的一致性。

該研究同時發現，一些大腦疾病引起的神經網絡病變更嚴重，因為它們影響的大腦局域網更多。例如，亨廷頓病可以影響9個神經網絡，精神分裂癥影響7個神經網絡，重度抑郁癥和雙相情感障礙分別影響2個神經網絡。

不過，影響大腦和神經網絡的并非只有大腦疾病，其他疾病也可以影響大腦和神經網絡，如新冠肺炎。目前，世界各國的新冠肺炎病人在治療和痊愈后有些會出現程度不同的大腦和神經疾病癥狀，如倦怠、麻木、焦慮或抑郁、睡眠障礙、認知障礙、記憶缺失、神智恍惚等。剛開始，臨床醫生認為，這是病人血氧飽和度低造成的，大量新冠肺炎患者的血氧飽和度低于70%，甚至低于60%，一般情況下，低于85%會導致意識喪失、昏迷甚至死亡。事實上，大量新冠肺炎病人在血氧飽和度低于60%時仍保持正常意識和認知功能。

因此，研究人員認為，是其他原因造成了新冠肺炎病人的腦病，導致大腦和神經網絡發生退變。一項新的研究發現，新冠病毒（SARS-CoV-2）可以通過血腦屏障進入大腦，損害大腦神經細胞。美國科學家庫馬爾通過實驗發現，小鼠大腦中的新冠病毒峰值滴度（水平）大約是肺中的病毒峰值滴度的1000倍，表明新冠病毒在大腦中有很強的復制能力。流感病毒也可能進入大腦損害大腦和神經網絡。1918年的全球大流感導致10億人感染，死亡人數超過2500萬人。流感患者中有500萬人因極度疲勞而步履蹣跚，被稱為“嗜睡病”或“嗜睡性腦炎”，還有的人長期受到抑郁癥的困擾。有研究人員推測，流感病毒進入大腦后造成大腦和中樞神經系統的多巴胺神經元回路（網絡）被切斷，因此才產生嗜睡和抑郁癥狀。

理解大腦和神經網絡不只是對創造和發展互聯網以及研發人工智能產品有重要幫助，更重要的是能理解人和生物的演化及生命本質，從而治療疾病，守護健康。