为何神经网络难以超越

张田勘

生物演化过程中极为重要的一环是动物逐渐产生了大脑和神经网络，人类的大脑和神经网络更复杂。这也引发了人类对自身神经网络的模仿，其中一个最具历史意义的模仿成果是虚拟网络—互联网。不过，即便目前互联网蓬勃发展，也还比不上人的大脑和神经网络。人类大脑皮层包含约140亿～160亿个神经元（神经细胞），小脑中包含大约550亿～700亿个神经元。每個神经元都通过突触和其他数千个神经元及周围神经相连。神经元之间通过轴突纤维进行或长或短的联系，以传递信息，包括生物电信号和神经递质，从而产生不同的行为、理念、思维。

神经元就像互联网上的电脑IP地址，就在几年前，全世界的IP地址还没有人类大脑和小脑中的神经元多。2019年11月25日，互联网通信协议（TCP/IP协议）第四版（IPv4）的约43亿个地址已经分配完毕。为了解决IP地址不足的问题，人类启动了互联网通信协议（TCP/ IP协议）第6版（IPv6）。IPv6的地址数可能比全世界的沙子还要多，足以解决目前IPv4地址量不足的问题。如果IPv6能顺利分配，IP地址数量将超过人的大脑和神经网络的神经元，也意味着人类创造的互联网虚拟系统可以联接的计算机在数量上超越了人的大脑和神经网络的所有神经元。

但是，这只是简单的数量上的超越。互联网虚拟系统在行为能力、信息传递和实际意义解读方面要超越人的大脑和神经网络可能还有很长的路要走。在信息接收上，每个IP地址都需要先后经过应用层→传输层→网络层→数据链路层→物理层。而且，在信息发出的请求过程中，一个请求数据也会经过层层包装，从应用层到物理层，每一层把上一层的数据报文包装后加上一层头部信息再传给下一层。显然，这种信息的传递和接收方式非常复杂。只有信息能传递和接收，每个人的计算机才能读出信息所表达的意义。这些“意义”又是人类演化过程中的另一个虚拟网络—语言符号系统创造的，而且不同的语言有不同的结构和意义系统，同样非常复杂。

比较而言，人的大脑和神经网络可能具有更简单的信息传递方式和意义解读方法，通过神经突触间的不同电位和神经递质，如多巴胺、乙酰胆碱、五羟色胺等传递不同的信息，并指挥人的行动。从生物演化来看，既然演化产生了不同的物种，就可能呈现既有共性又有不同特点的大脑和神经网络。人和鸟类的大脑和神经网络的差异就造成了人只能行走和跑步，鸟却能飞翔。

以色列耶路撒冷希伯来大学医学院和美国俄勒冈健康与科学大学的一个研究团队对鸡和老鼠胚胎的神经网络进行了研究。研究者发现，鸟类的ephrin-B3基因的遗传编码与哺乳动物和爬行动物有本质上的不同。这种不同通过神经网络把鸟类和大部分哺乳动物区分开来，使得鸟类能够振翅翱翔，但人类只能行走，老鼠只能爬行。

ephrin-B3基因也存在于哺乳动物中，在演化中，鸟类的ephrin-B3基因产生突变或缺失。基因的变化帮助鸟类发展出了一种神经网络，激活了一个非常协调的运动模式，即同时拍动翅膀，才能飞翔。有人认为人类是通过模仿鸟类飞行而发明了飞机，事实上，尽管鸟儿飞翔对人类有启示，但飞机飞行的大部分原理并非效仿鸟类。像鸟儿飞翔那样的扑翼机从古至今都没有被应用于实践，说明扑翼机实在太过复杂。

尽管人和动物的神经网络不同，人和动物的神经网络也与人创造的互联网虚拟网络不同，但是通过对各类神经网络的研究，人们可以从神经网络的构造、分布和特点来认识和理解生命，并应用于疾病诊断和治疗，促进健康，延长寿命。

人们早就知道，疾病会影响大脑和神经网络。现在，科学家对精神疾病、神经疾病影响大脑和神经网络有了新的认知。美国得克萨斯大学的研究人员近日发表的一项研究表明，43种大脑疾病（包括精神疾病和神经疾病）会导致大脑神经网络退化，证明了一种被称为“网络退化假说”的理论。根据这一理论，与疾病有关的神经结构性损害也损伤了指导人类行为的神经网络。

病原体对大脑和神经造成的损害可以产生两大类疾病，一类是精神疾病，是由于病原体损害大脑细胞和组织造成人的认知和情感障碍，并体现为一系列症状，如精神分裂症；另一类是神经疾病，也是病原体损害神经（包括中枢和周围神经）而导致运动和行为的疾病，如肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）。这两类疾病都可以引发大脑和神经网络的退化。

研究人员通过“大脑地图”（BrainMap）检索了2万多个实验并进行分析，比较了正常行为中使用的大规模功能网络的连接模式与疾病相关的“共变”模式，有了新的发现。该项研究的通讯作者皮特·福克斯教授认为，在他们观察到的20个与疾病相关的共变网络中，有14个在空间上与参与正常行为的功能网络（如运动、感知、情感、语言、问题解决、记忆编码）存在高度的一致性。

该研究同时发现，一些大脑疾病引起的神经网络病变更严重，因为它们影响的大脑局域网更多。例如，亨廷顿病可以影响9个神经网络，精神分裂症影响7个神经网络，重度抑郁症和双相情感障碍分别影响2个神经网络。

不过，影响大脑和神经网络的并非只有大脑疾病，其他疾病也可以影响大脑和神经网络，如新冠肺炎。目前，世界各国的新冠肺炎病人在治疗和痊愈后有些会出现程度不同的大脑和神经疾病症状，如倦怠、麻木、焦虑或抑郁、睡眠障碍、认知障碍、记忆缺失、神智恍惚等。刚开始，临床医生认为，这是病人血氧饱和度低造成的，大量新冠肺炎患者的血氧饱和度低于70%，甚至低于60%，一般情况下，低于85%会导致意识丧失、昏迷甚至死亡。事实上，大量新冠肺炎病人在血氧饱和度低于60%时仍保持正常意识和认知功能。

因此，研究人员认为，是其他原因造成了新冠肺炎病人的脑病，导致大脑和神经网络发生退变。一项新的研究发现，新冠病毒（SARS-CoV-2）可以通过血脑屏障进入大脑，损害大脑神经细胞。美国科学家库马尔通过实验发现，小鼠大脑中的新冠病毒峰值滴度（水平）大约是肺中的病毒峰值滴度的1000倍，表明新冠病毒在大脑中有很强的复制能力。流感病毒也可能进入大脑损害大脑和神经网络。1918年的全球大流感导致10亿人感染，死亡人数超过2500万人。流感患者中有500万人因极度疲劳而步履蹒跚，被称为“嗜睡病”或“嗜睡性脑炎”，还有的人长期受到抑郁症的困扰。有研究人员推测，流感病毒进入大脑后造成大脑和中枢神经系统的多巴胺神经元回路（网络）被切断，因此才产生嗜睡和抑郁症状。

理解大脑和神经网络不只是对创造和发展互联网以及研发人工智能产品有重要帮助，更重要的是能理解人和生物的演化及生命本质，从而治疗疾病，守护健康。