“双脑融合”时代开启

姚虹聿

近日，清华大学研发团队展示能自主行驶的自行车，成为全球人工智能领域关注的焦点，它代表着人脑与电脑结合的一个发展方向。在人脑发明电脑70多年后，“双脑融合”势在必行——你中有我，我中有你。“双脑”系统有望成为为人类服务的终极智能系统。

电脑与人脑的结合总体上有两条可行的路径：一条是从计算机科学出发，另一条是从脑科学出发。这两条路径有着不一样的计算原理，不一样的信号编码方式，以及不一样的应用场景。因此，“双脑融合”并不简单。

目前全球各国科研人员所进行的“双脑融合”研究，基本上有三个方向：第一个方向是以神经科学为基础，模拟开发仿真人脑;第二个方向是用电脑监测并影响人脑，从而指导、调整人的行为;第三个方向是以计算机科学为导向，让电脑高度模拟人脑进行计算、学习和“思考”，并指导人工智能系统的行为。

开发仿真人脑

2009年7月，英国牛津大学神经科学家亨利·马克拉姆宣布，计划用计算机制造出人类大脑，其復杂度可与真实人脑匹敌。这实际上是“双脑融合”的第一个研究方向，即开发仿真人脑。2013年，欧盟委员会授予他惊人的10亿欧元资金，资助他推动“人脑计划”（HBP）。但是，HBP遭到许多科学家的强烈反对。

据英国《卫报》报道，马克拉姆的目标不是在电脑中建立简化版的人脑模型，而是要创造出复杂得令人眩目的人脑复制品，它包括组成人脑的神经元，神经元之间的电波活动，以及人脑细胞的基因编码。它跳出了电脑硬件的范畴，是生物学意义上的器官——人造大脑。

这个计划从一开始就招致广泛的批评，许多神经科学家都说这是个“荒谬的计划”。人脑错综复杂，神经元之间如何连接和协作，记忆如何形成，决定如何作出，这些机制在很大程度上仍是未知的，不可能在短时间内被详细破解。举例来说，一种名为“秀丽隐杆线虫”的生物，其神经系统由302个神经元组成，给它建立电脑模型已经是很困难的事情，要知道，人脑共有约860亿个神经元！

马克拉姆的研发进程果然非常缓慢。直到2015年，他创立的企业“蓝脑计划”才发布了模拟小白鼠3万个脑神经元的电脑模型（仅占小白鼠脑神经元总数的0.15%）。有批评者称，这项工作实际上已经失败了——照这样的速度，什么时候才能建立人脑神经元模型？开发出仿真人脑更是遥遥无期。

目前仍有140人在为马克拉姆的“蓝脑计划”服务，尝试“描绘越来越大的脑区，并在生理方面准确地模拟人脑”。该公司对于“双脑融合”的未来仍然有着夸张的展望。麻省理工学院媒体实验室创始人尼古拉斯·尼戈朋特是“蓝脑计划”的坚定支持者，他说：“我们需要的是突破，然后成果就会以指数级增长。想象一下，一个高度接近人脑的生物学控制系统，将给工业、医疗和信息产业带来一场怎样的革命。”

电脑控制人脑

美国陆军的科研人员一直在尝试了解人脑是如何运作的。近日，美国陆军研究实验室（ARL）的科学家开始试验用电脑监控士兵的脑电波。这项工作旨在通过将人工智能与人脑结合，了解士兵的思维模式、情绪和感受，并相应地通过脑电波刺激来调整士兵的行为。这实际上是“双脑融合”的第二个研究方向：用电脑监控甚至影响人脑。

一直以来，ARL的主要研究工作就是探索士兵的各种生理指标，从最初的测谎一直发展到如今的脑电波读取和电波刺激。这项研究的第一步是关注士兵身体上可以被测量的所有生理信号，从而分析他的状态;接下来就是阅读脑电波变化所揭示的思想和情绪;最后是用电脑影响甚至控制人脑，达到调整士兵行为的目的。

电脑如何影响人脑？美军出于保密考虑，不会对外界透露试验的具体方法。不过，从其他机构的同类研究可以看出端倪。美国加州大学旧金山分校的科学家表示，在该校癫痫中心志愿者的帮助下，科学家做到了用电脑控制人脑的部分活动。这些志愿者的大脑被植入了微型电极，植入时间是一个星期或稍长，目的是记录癫痫发作时的脑电波变化，为神经外科手术做准备。在此期间，志愿者们同意科研人员用植入的电极开展一些研究。经过大量的实验，加州大学旧金山分校建立了用电脑影响人脑的工作模式——“脑机接口”，并进行了有效的应用。

因脑干中风、脊髓损伤、神经退行性疾病或其他原因导致面瘫的患者，会部分或完全丧失说话的能力。然而，他们控制下颚、嘴唇、舌头和喉部肌肉的大脑区域通常没有损伤。因此，只要让他们的大脑恢复下达指令的能力，他们就能说话。于是，科研人员给一些患者的大脑植入电极，用电脑指导人脑工作。这些患者表达语言的脑细胞被激活，又能开口说一些简单的词语了。此前，由于瘫痪而导致失语的患者，只能用眼球运动或肌肉抽搐来控制电脑界面，从而非常缓慢地拼写单词。现在，他们看到了希望。

脑机接口技术的发展非常快，它不仅打开了公众的“脑洞”，同时也引发了伦理方面的担忧和质疑。有一些科学家坚决反对给人脑植入电极。从安全性来看，目前植入式脑机接口技术在植入过程中通常会对大脑造成一定损伤，而且植入一段时间后，神经胶质细胞会将电极包裹起来，监测到的脑部信号会越来越弱，有时需要二次植入电极。同时，也不能排除脑部感染的风险。

除了安全性，人们还有一个担忧：人脑发射的电波信号属于个体的生理和隐私数据。现阶段，脑机接口只能解读十分有限的脑电波信号，还达不到人们所担忧的“泄露隐私”的程度。但从长远来看，确实需要考虑隐私保护的问题。

高度模拟人脑

据英国《新科学家》杂志报道，怀疑马克拉姆和“蓝脑计划”的人，并非完全反对“模拟大脑”这个设想，但他们认为，应该努力建立模型去解决实际问题。滑铁卢大学教授克里斯·伊利亚史密斯建立了一个模型，用250万个虚拟神经元进行简单的计算，并解决一些基本的推理问题。伊利亚史密斯表示：“我们并非要打造仿真人脑——在我们的有生之年可能都做不到。我们只是建造一个人工智能系统，让它尝试像人一样思考。”

这实际上是“双脑融合”的第三个研究方向，让电脑高度模拟人脑进行运算和“思考”。清华大学开发出全球首款异构融合类脑计算芯片——Tianjic芯片，它不仅具备基于计算机科学的算法，还可以实现受大脑工作原理启发而形成的神经计算模型和多种编码方案。

为了证明构建类脑式智能系统的可行性，清华大学的科研团队利用无人驾驶自行车展示了异构可扩展人工通用智能平台，在一块Tianjic芯片内部署并同时运行多个网络。实验中的自行车配备了多种算法和模型，能够执行实时物体监测跟踪、语音命令识别、加速、减速、躲避障碍、控制平衡和决策等任务。

据英国《自然》杂志报道，Tianjic芯片以及以它为核心的运算系统，是一个与人脑类似的多模态系统，而不是像传统的人工智能系统那样只做算法和应用。作为一个覆盖感知、决策和执行的完整链路，这种系统未来能够给“双脑融合”的多种模型提供支持。它不是生物学意义上的大脑，不是仿真人体器官，其本质还是电脑。但它能与真实的环境进行交互，而不只是在机房里做实验或者在电脑里做仿真。报道认为，这应该是“双脑融合”的最佳发展方向。

电脑早就超越了人脑，一些人们认为只有天才具有的令人叹为观止的能力，其实电脑可以轻松做到，例如快速记忆、速算等。但是，在许多方面，电脑与人脑还有相当大的距离，例如学习能力、自主决策等。值得关注的是，电脑正在逐渐缩小与人脑的差距。至于最后它能否全面超越人脑，还是个未知数。对于人类来说，要完全管控人工智能的风险，也许“双脑融合”是最有效的方式——你中有我，我中有你。“双脑”系统有望成为为人类服务的终极智能系统。

编辑：姚志刚 winter-yao@163.com