脑科学到下个世纪或仍是前沿科学

大脑是人体最重要的器官,也可能是宇宙间最复杂的物体——结构复杂、功能复杂,比最大的超级计算机不知道还要复杂多少倍。这个复杂的物体是怎么出现的呢?它是生物演化过程中的一个奇迹。

大脑外面有皱褶的这层叫大脑皮层,是所有重要的脑功能的关键区域。理解大脑,不仅要知道大脑皮层的结构和功能,还要知道大脑皮层里那些复杂的核团的功能。为理解这些问题,科学家至少花了200年时间。

现在,我们对大脑的了解,比如大脑如何处理信息、神经细胞怎样编码和传导信息、信息如何从一个神经元交互到另一个神经元……这些传导机制都理解得比较清楚;对不同的神经元做什么,在各种功能中会产生什么反应,也很清楚。

在过去的一个世纪里,诺贝尔奖涉及的神经科学中的重要发现都跟大脑的信息编码、储存相关。但是,我们只对神经细胞如何处理信息了解得很清楚,对整个大脑复杂的网络结构了解不多。

到底是什么原理使得神经细胞在某种情况下发生某些反应,我们并不是很清楚;对大脑中的信息处理不太了解,对各种感知觉、情绪,还有一些高等认知功能——思维、抉择甚至意识等,理解得比较粗浅。虽说脑科学已有相当的进展,但是未知的比已知的要多得多。打一个比方,脑科学现在的处境,相当于物理学和化学在20世纪初期的处境,有很多事情已经搞清楚,但是重大的理解和突破还没有出现。所以现在的脑科学是生物科学里比较神秘的领域,从这点来说,脑科学将成为未来生命科学发展中很重要的一个领域。年轻人将来想钻研科学的话,脑科学就是前沿科学,不但在这个世纪,甚至下个世纪依旧是前沿科学。

为此,我们希望启动一个由中国科学家主导的国际大科学计划,做全脑介观层面上的神经连接图谱。对于介观图谱,不仅中国科学家感兴趣,世界各国的科学家都有兴趣。通过该计划,人们能够研究动物特别是模型动物(包括小鼠、猕猴等跟人最相近的灵长类动物)的大脑图谱。其中一翼要做脑疾病的诊断与治疗,形成各种新型的医疗产业。另外一翼是类脑人工智能、类脑计算、脑机接口等与人工智能相关的新技术,该领域对未来的人工智能产业具有重大影响。这就是目前中国脑计划的方向,也是大家公认的最好的方向。与世界其他国家的脑计划相比,虽然我们的计划启动得慢,但我们的设计是最圆满的,希望它的实施也是最圆满的。

脑科学研究的另外一个重要应用就是脑机智能技术、类脑研究方面。

在该领域中,未来很重要的一个发展方向,就是脑机接口和脑机融合的新方法,还有各种脑活动的刺激方法、调控方法以及新一代人工网络模型和计算模型。尽管现在的深度网络计算模型很好,但与人脑相比,还差得很远。如果能够更进一步研发出类人脑的新型计算模型和新的类似神经元的处理硬件,并将它们应用到新一代计算机上,有可能做出更优秀、更高效的计算机,它们的计算能力也将更接近人类,并且能耗更低,效率也更高。

此外,类脑计算机器人和大数据处理也是未来类脑研究的方向。我重点谈谈图灵测试。大家也许听说过图灵测试,如何判断一台机器具有人的智能?图灵在70年前就提出过这样一个设想:在彼此看不到对方的情况下,分别与一台机器和一个人对话,并在对话过程中,分辨出对方是机器还是人。如果无法分辨出对方的身份,就可以认定这台机器具有人的智能。其中语义的理解是最关键的。多年来,人们一直希望做出能够通过图灵测试的机器。通过测试的标准是,只要有1/3的人在5分钟之内辨别不出跟自己对话的是机器还是人,即可认定机器获胜。

小冰是微软(亚洲)互联网工程院在中国推出的人工智能聊天机器人,可以通过对话不断提升自己,增加自身的知识储备,增强回应能力。虽然问世多年的小冰具有很高的对话能力,但人们还是很容易就知道它不是真的人,而只是一台机器。在今天,如果真正要做出好的类脑智能,必须依靠新的图灵测试。什么是新的图灵测试?除了语言能力之外,测试指标还应包括对各种信息的感知能力与处理能力。具体来说,可以让一个机器人和一个人各自操作一只机械手来玩一个玩具,同时要求他们彼此间就动作情况进行对话,以便进行判别。我们很容易发现,类似测试可比跟一台计算机对话复杂多了。团队合作方面也是测试内容。叫一个机器人与人类合作进行某些活动,比如进行比赛,观察大家是否能够辨别出来队员中哪个是机器人哪个是人。这些都是新的图灵测试所涵盖的内容。

我们可以期待,未来二三十年内,可能出现能够通过新的图灵测试的、具有通用人工智能的类脑人工智能。

(作者系中科院院士、中科院神经科学研究所所长,原载《北京青年报》,有删改)

《中国教育报》2019年07月01日第2版

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