人类唯一的出路—变成人工智能(2)

话说最近马化腾半夜不睡觉,在知乎上提了一个问题,引来各路英雄纷纷作答,其中点赞量最大的是一位谢熊猫君的回答。

此君的答案是一篇翻译作品,译自美国知名博主Tim Urban的博客文章。文章主旨是介绍埃隆·马斯克2017年成立的新公司Neuralink,但其内容涉及了人类的认知历史和人类未来的的发展方向,脑洞很大,有读科幻小说的快感,而逻辑性又很强,令人掩卷沉思,击节叹赏。

文章巨长,分为6章,达6万多字,我们分章介绍,并对一些过于专业的背景知识,略作删节。

第二章

大脑

这一段会让大家明白为什么我平常喜欢把大脑画成这样一个可爱的样子:

因为写实的大脑非常的不可爱,让人起鸡皮疙瘩。

这个看起来很荒唐的东西是宇宙里我们已知的最复杂的东西,重约三磅,功率约等于20瓦,相比之下,一个同等强大的计算机的功率约是2千4百万瓦。Tim Hanson教授把大脑称为“已知的信息密度最大、最有结构性,并且最能够自我构建的物质”

大脑是如此的奇怪,以至于亚里士多德、古埃及人,还有很多其他人,都假设其实大脑是没什么意义的“颅内填充物”而已。亚里士多德甚至认为心脏才是智慧的中心。

最后,人类还是发现了大脑的真相,但也不是发现的很彻底。

Krishna Shenoy教授把我们对大脑的认知类比人类在16世纪时对世界地图的认知一般。

而Jeff Lichtman教授,则更为犀利点。他在开课之前会问他的学生:“如果我们需要了解的大脑的知识是一英里那么长,那么我们现在处在什么距离上呢?”他的学生会给出四分之三英里,半英里,四分之一英里等答案,但是他觉得正确的答案应该是“三英寸”左右。

神经科学家Paul MacLean做了一个简单的图,来阐述我们前面提到的大脑三元件的理论:爬虫类脑——进一步完善的哺乳动物脑——更为完善的新哺乳动物大脑。

这就是我们的脑的大概分布:

我们分部分来看 :

爬虫类脑:脑干和小脑

这是我们大脑里最古老的一部分

就是图中青蛙大佬所占据的那部分。事实上,一个真的青蛙的脑和人类脑的这一部分是非常相似的,下图是青蛙脑的照片。

当你理解这部分脑的功能后,这部分脑的“古老”就显而易见了——这部分脑能做到的功能,青蛙和蜥蜴也能做到。

延髓基本上做着那些让你不要死的工作。它控制那些无人赏识但是至关重要的无意识行为,好像心脏的跳动、呼吸、血压,以及当它觉得你中毒的时候让你呕吐。

脑桥则是这也做点,那也做点的百搭。脑桥控制吞咽、膀胱、脸部表情、拒绝、唾液、泪水和体态。

中脑则比脑桥更杂。中脑的地位其实很尴尬,它的每一个功能都和大脑另外某个部位的功能重复。中脑涉及视觉、听觉、运动控制、警觉、体温控制,以及其它若干个由脑的其它部位已经在做的事情。大脑对于中脑也不是很买账,整个大脑可以分为前脑、中脑和后脑,前脑和后脑都由多部分组成,范围很大,唯有中脑是孤立的一小块。

脑桥和中脑有一个值得单独提出的功能是它控制眼球的自主移动,所以如果你现在在转动你的眼球的话,其实就是脑桥和中脑帮你达成的。

小脑保证你能够平衡、协调和正常的移动。

古哺乳动物脑:边缘系统

脑干上方的就是边缘系统,也正是边缘系统让人类如此神经质 。

边缘系统是一套生存系统。一般来说,当你做任何你的宠物狗也会做的事情的时候,比如:吃,喝,做爱,打架,躲藏,逃跑等,背后都是你的边缘系统在控制。不管你的个人感觉是怎么样的,当你在做这些事情的时候,你都处在一种原始的生存模式中。

边缘系统也是情绪产生的地方,归根结底来说,情绪也是和生存有关的。情绪是更高级的生存机制,对于生活在复杂社会结构中的动物是很必要的。

任何时候你的脑子里产生内部斗争的时候,其实都是边缘系统在催促你去犯下一桩桩你之后会后悔的事情。

我非常确定控制好自己的边缘系统,是一个人成熟的定义,也是人类的核心斗争任务。这并不是说没有边缘系统我们会变得更好,人之所以为人,有一半要归功于边缘系统,而生命中绝大多数的快乐都是和情绪或者满足自身动物欲相关的。然而,这里要强调的是边缘系统并不知道你生活在一个文明社会,如果你让边缘系统过多干涉你的生活,它会很快毁了你的生活。

不管如何,我们还是要仔细看看边缘系统。边缘系统里面有很多小组件,我们这里就只关注那些最重要的啦:

杏仁体就是人类情绪的车祸现场。杏仁体负责焦虑、悲伤以及对恐惧的反应。杏仁体有两个,很奇怪的是,左边的那个更加平衡,有时会在负面情绪外产生一些正面感觉,但是右边那个杏仁体却一直是在糟糕的情绪中的。

海马体就好像记忆的草稿本。当老鼠开始记忆迷宫中的方向的时候,它们的记忆就是被编码存储在海马体里的。处在迷宫中的不同位置的时候,老鼠的两个海马体的不同部位会各自产生不同的反应。但是如果在记住一个迷宫之后,这只老鼠又被派去干了些别的任务,在一年后再把这只老鼠放回原本的迷宫中,它就很难记得迷宫的方向了。这是因为海马体这个草稿本上的记忆很多被擦除掉,从而腾出空间来给其它新的记忆了。

丘脑位于整个脑的中间位置,干的也是感官信息中间人的角色。丘脑接收到感官器官发来的信息,然后把信息传递到皮质去处理。当你睡着的时候,丘脑也会入睡,也就意味着传递感官信息的中间人下班了。所以在沉睡的时候,声音、灯光、触摸有时不会把你唤醒。如果你想要把一个沉睡的人唤醒,动作要激烈到把他的丘脑唤醒。

这里唯一的例外是你的嗅觉,嗅觉是唯一不经过丘脑的感官。所以给昏迷的人闻盐是一个常用的唤醒手段。顺带一提,嗅球(olfactory bulb)是最古老的感官。与其它感官不同,嗅觉位于边缘系统的深处,和海马体与杏仁体合作紧密,所以嗅觉才会与记忆和情绪紧密关联。

新哺乳动物脑:皮质(Cortex)

终于,我们要开始讨论皮质了。

皮质负责几乎所有处理相关的事情——你看到、听到和感觉到的东西,以及语言、运动、思考、计划和人格。

它总共分成四叶:

要描述这四叶分别做什么是件很恼人的事情,因为每一叶都做很多事情,并且互相之间的功能有重叠,但是极端简化的来说:

额叶(frontal lobe)掌管你的人格,以及很多思考相关的东西,比如理论、计划和执行功能。这里要指出,你的很多思考,是在额叶的前端进行的,这部分叫作前额皮质(prefrontal cortex)。前额皮质是那些内心斗争中另一个会出现的角色,那个理性的决策者,那个推动你好好做事的人,那个告诉你不要在意别人想法的真诚的声音,那个希望你能有大格局的领路人。

额叶还负责你身体的运动,额叶最上面的一带,是你的运动皮质。

接着是顶叶(parietal lobe),顶叶控制触觉,这一部分功能主要在体感皮质实现,体感皮质在运动皮质旁边。

颞叶(temporal lobe)是你的记忆储存的地方,而因为颞叶离耳朵很近,它也包括了听觉皮质。

头后方的是枕叶(occipital lobe),这里包括了你的视觉皮质,而枕叶几乎是完全为视觉服务的。

一直以来,我觉得这四个是几个组成大脑的大块,但其实皮质只是大脑最外层两毫米的物质,和一个硬币差不多厚,皮质下面的那些“肉”基本上是连接线。

如果你能把皮质从大脑上取下来,你获得的其实是2毫米厚,2000-2400平方厘米的一块物质,大概是48厘米见方的一块餐巾的大小。

这块餐巾就是你脑内大部分行为发生的地方,它让你能够思考、移动、感知、看、听、记、说话和理解语言。真是块很酷的餐巾。

其实“你”基本上就是你的皮质,也就是说你其实是块餐巾。

当我们把一个大脑,和我们的餐巾做对比,就能看出来折叠的巨大效果了。

所以现代科学对大脑的理解虽然不完美,但是对于一些大概念的理解还是不错的。当然对于一些小概念我们的理解也不错,下面我们来说一下:

虽然我们很早就知道了大脑是我们智慧的基座,但科学家直到最近才知道大脑是由什么组成的。科学家们知道身体是由细胞组成的,在19世纪后期,意大利医生Camillo Golgi发现了一个用染色来研究脑细胞结构的方法,结果非常让人惊讶:

细胞不应该长这样的。虽然自己还不知道,但是Golgi医生发现了神经元。

科学家们很快发现,神经元是几乎所有动物的脑和神经系统里巨大的通信网络的核心元件。

但直到二十世纪五十年代,科学家才知道神经元之间是怎样互相沟通的。

我们用最简单的叙述介绍神经元的工作原理。要画一个神经元,我们可以先画一个小人:

然后我们给他多画几条腿,一些头发,去掉他的手臂,再把他拉长,我们就画好了一个神经元小帅了。

然后我们再画几个神经元。

神经元小帅的身体,也就是轴突,有一个负的静息电位,当轴突休息的时候,它的电荷是负的。好多神经元的脚会触碰到神经元小帅的头发(树突),这些脚会把神经传递素传递到小帅的头发上,神经传递素会经过小帅的头,然后根据传递素的不同,提高或者降低轴突的电荷。

当足够多的神经传递素把小帅的电荷提高过了一个点——阈电位的时候,这时就会产生一个动作电位,而小帅此时就被电击了。

当电击发生时,一个电流脉动会从小帅的身体到达他的脚,当动作电位到达他的脚的时候,脚会向所接触的别的神经元的头发传递化学物质,这些化学物质可能会也可能不会导致别的神经元产生电击。

这其实就是信息在神经系统中传递的方式,化学信息在脚和头发之间传递,然后形成电力信息穿过神经元。

神经网络

神经元就好像电脑晶体管一样,它们通过二元的方式传递信息,1就是动作电位,0就是没有动作电位。但和晶体管不同的是,脑内的神经元是不断在变化的。

有没有过这种体验,有时候你学会一个新技能,然后第二天再试的时候又生疏了?这是因为让你一开始学会新技能的是神经元之间化学物质的浓度的调整。重复的练习能不断的调整这些化学物质,这也帮助你能够进步。但是第二天,当这些化学物质回归原来样子的时候,这些进步就消失了。

但是如果你继续练习,你会长久的擅长一项技能。因为长久的练习后,你告诉大脑:“这是我想要一直存在的一个东西”,然后脑就会在结构上改变神经网络,使得这些技能能能够长久存在。在这些改变中,神经元改变了自己的形状、位置,加强或者削弱了各种连接,使得一条关于这项技能的通路会一直存在。

神经元对于自身的化学、结构、甚至功能的改变,使得脑内的神经网络能不断针对外部世界优化自己,这叫作神经可塑性。婴儿的脑的神经可塑性最强。当一个婴儿诞生的时候,它的脑并不知道自己要变成一个擅长冷兵器作战的中世纪勇士,或是一个擅长拨弦琴的十七世纪音乐家,还是一个需要存储和整理大量信息并且掌握复杂社会构建的现代知识分子。但是一个婴儿的脑为所有的可能性做好了准备。

婴儿是神经可塑性的巨星,但是神经可塑性在人的一生中都存在,所以人类才能成长、转变和学习新东西。所以我们才能形成新习惯,打破旧习惯——一个人的习惯是脑内回路的外在表现。如果你想要改变习惯,你需要很强的毅力来克服脑内的神经通路,但是只要你能坚持够久,你的脑早晚会明白你的意图然后改变那些通路,而新的习惯将不再需要毅力来维持。你的脑会在物理结构上帮你建立一个新习惯。

总共,大脑内有大约1000亿个神经元来组成这个难以想象的复杂网络,这个数量和银河系里的恒星数量相近。大约150-200亿的神经元在皮质中,其它的在你的爬行动物脑和古哺乳动物脑中,神奇的是,小脑里面的神经元数量有皮质里的三倍多。

接下来,我们退出去,再看一下脑的横切面,这次不是从前往后切,而是从中间切。

大脑的材料可以分为灰质和白质。灰质看上去颜色更深,由神经元的细胞组成,白质则主要由链接轴突组成。白质之所以是白色是因为这些轴突通常被髓鞘包裹着。

灰质主要有两个部分——边缘系统的内部和脑干,以及皮质外层硬币那么厚的部分。剩下来的大块的白质主要就是皮质神经元的轴突组成的了。皮质就像一个指挥中心,把很多命令通过白质中的轴突传播下去。

对于这个概念最酷的展现是Greg A. Dunn博士 和Brian Edwards博士绘制的图:

这些皮质轴突可能是在把信息传递给皮质的另一部分,或者是去到大脑的下部,或者通过脊髓直接到身体的其它部位。

接着我们来看看整个神经系统。

神经系统分为中枢神经系统(脑和脊髓)和周围神经系统。

大部分的神经元都是中间神经元,也就是和其它神经元沟通的神经元。当你思考的时候,有很多中间神经元互相通信,中间神经元大部分在脑内。

另外两种神经元是感觉神经元和运动神经元。这些神经元在脊髓和周围神经系统里面。这些神经元可以长达一米。

还记得前面提到的运动皮质和体感皮质吗?

这两条皮质是周围神经系统发起的地方。 感觉神经元的轴突从体感皮质出发,通过大脑的白质,进入脊髓,然后到达身体的各个部分。你皮肤的每一部分都是体感皮质发起的神经相连。对了,神经其实就是数根轴突绑在一起。

我们用苍蝇飞到你手上的例子来说明一下神经系统的工作方式:

苍蝇碰触到了你的皮肤,然后刺激了一些感觉神经。神经里面的轴突端子开始行动和产生动作电位,把信号传导到脑里。信号先是进入脊髓,然后进入体感皮质。体感皮质然后告知负责肩部的运动皮质说现在手上有一只苍蝇,需要做点什么。连接到手臂肌肉那部分的运动皮质于是开始产生动作电位,把信号通过脊髓再发送到手臂的肌肉里。手臂肌肉附近的神经元的轴突端子开始行动,于是你抖动手来甩脱苍蝇,然后苍蝇(经过了苍蝇自身的神经系统的一系列反应后)就飞走了。

然后你的杏仁体意识到发生了事情,于是杏仁体告诉你的运动皮质这个时候要开始尴尬的跳起。如果落到你手上的是一只蜘蛛,那么杏仁体还会告诉你的声带要不自主的喊出来,给周围人留下你怕虫子的印象。

所以至今为止我们好像还蛮了解大脑的,是吧?那为什么之前我们提到如果我们需要了解的脑的知识是一英里的话,我们现在只是了解了三英寸呢。

是这样的。

比如说我们对互联网是有个大致的了解的,比如大概有多少网名,有哪些大网站,最近流行什么。但是对互联网中间发生的那些东西,互联网整个的内部工作机制,我们其实是很迷糊的。

又比如经济学家能够告诉你一个个体消费者的行为,也能告诉你宏观经济学的概念来帮你理解背后的种种操控力,但是没有哪个人能够真正的告诉你经济体是怎样运作从而来预测明年的经济会是怎样的。

大脑就和这些东西是一样的。我们知道了一些细节的东西,比如神经元怎么运作,我们也知道了一些宏观的东西,比如大脑里有多少个神经元,有那些主要的脑叶,以及各自的控制结构,和脑的大致耗能。但是中间的那些东西,比如大脑的每个部分具体是怎么做到这些事情的,我们就不得而知了。

真正让我们理解我们的无知有多深的,就是听一下神经科学家对于我们目前最了解的大脑部位的理解。

譬如视觉皮质,我们理解的就不错。

科学家Paul Merolla这样跟我描述:

“视觉皮质在解剖和结构上都很工整。当你看到视觉皮质的时候,就像看地图一样。当你的视野的特定位置出现一个东西的时候,你能看到视觉皮质的那一部分亮起来。而当那个东西开始移动的时候,对应皮质周围的细胞会展现出对应的图形测绘。这就好像现实世界的笛卡尔坐标能够对应到视觉皮质的极坐标一样。你可以从视网膜开始追溯,经过丘脑,到达视觉皮质,然后能够看到视觉空间中位置与视觉皮质中位置的对应。”

这么看来好像还行嘛,但是Paul接着跟我解释:

“这种位置对和视觉皮质互动来说很有用,但是视觉皮质有很多区域,如果你深入研究视觉皮质,就会发现整个事情变得越来越模糊,之前的图形对照不再行得通了。脑里有很多不同层次的事情在发生,而视觉感知是其中一个例子。我们看着这个世界,我们看到的只是个3D的物理世界。比如你看着一个杯子,你看到的就是个杯子,但是你的眼睛看到的真的只是一些像素,而当你看向视觉皮质的时候,这个图像被解析成了20-40个图。我们把第一个负责这些图的区域称作V1,V1负责追踪边缘和颜色等。其它的区域则观测到了一些更复杂的物件,于是在你的脑的表面,产生了很多很多不同的展现。但是最后这些复杂的的信息被绑在一起,然后经过一些编码,让你相信你看到的只是一个简单的物件。”

运动皮质是另一个我们理解的比较好的区域,但是运动皮质的理解会比视觉皮质更难。虽然我们知道运动皮质如何对应到各个身体部分的,但是单个的神经元们在运动皮质上的位置不是拓扑分布的,而神经元们怎么合作产生身体运动我们也不知道。Paul这么跟我们解释:

“每个人的神经“语言”都不太一样,神经元可不会对着手说普通话“手,你动一下”,也没有一个统一的电位规律来做这一些,所以每个人都不太一样。而这个“语言”本身要求很高,神经元需要能够无缝的告诉手“你把手往左边移动,然后往上,抓那个东西,抓的时候用这么多力道,用这么快的速度去抓”等等。当我们移动手的时候,我们不会这样去想这一系列动作,但是我们能够毫无困难的完成这一切。所以每一个大脑和肌肉沟通的时候用的语言都是不一样的。”

神经可塑性也很难理解,因为每个大脑本身的工作机制都与脑自身的可塑形相关,也和这个人生活的环境与生活经验有关。

而这已经是我们了解的最深入的大脑部分了,按照专家的说法,“当我们要探讨一些更复杂的东西,比如语言、记忆、数学,的时候,我们就真的不明白了。”比如对于“母亲”的概念,对于每一个人来说,都是用不同的编码方式存储在脑的不同位置。而额叶,也就是前面提到最重要的脑叶,根本就没有任何拓扑。

然而,这些困难都不是一个有效的脑机接口的制造难点。脑机接口之所以难,是因为工程上的挑战非常巨大。要和大脑进行物理的交互,使得脑机接口是工程行为上最难的一件事。

现在我们知道了关于脑的背景知识这个树干,下一章谈一下第一根树枝——脑机接口。

未完待续……

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