作者：蒲慕明

　　腦科學(xué)是一門(mén)極富魅力的生命科學(xué)，它充滿(mǎn)神秘，又和每個(gè)人的生活息息相關(guān)。意識是怎么產(chǎn)生的？為什么人各有志？為什么有些人更聰明、記憶力好？為什么有些兒童有自閉傾向？為什么有些人患抑郁癥？機器人怎樣才能擁有人類(lèi)的智慧和能力？人類(lèi)社會(huì )未來(lái)如何與智能機器人共存？這些問(wèn)題可以說(shuō)與腦科學(xué)密切相關(guān)。腦科學(xué)研究不僅可以使我們理解認知、思維、意識和語(yǔ)言等腦功能原理，對人類(lèi)認識自身有重大科學(xué)意義，還能夠對各種腦功能神經(jīng)基礎進(jìn)行解析，對有效診斷和治療腦疾病有重要臨床意義，腦科學(xué)所啟發(fā)的類(lèi)腦研究也可以推動(dòng)新一代人工智能和新型信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　人腦是非常復雜的生物系統，擁有上千億個(gè)神經(jīng)細胞（神經(jīng)元）；神經(jīng)元之間有復雜的神經(jīng)纖維連接，通過(guò)百萬(wàn)億個(gè)連接點(diǎn)（突觸），形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和主導各種腦功能的神經(jīng)環(huán)路。過(guò)去一個(gè)多世紀以來(lái)，腦科學(xué)研究的主要進(jìn)展是理解了神經(jīng)信息在神經(jīng)網(wǎng)路中傳遞和處理信息的基本原理。近年來(lái)，隨著(zhù)分子生物學(xué)和生理學(xué)新技術(shù)的加入，我們也理解了腦發(fā)育過(guò)程中的基因表達、神經(jīng)元分化、神經(jīng)聯(lián)接形成過(guò)程的分子和細胞機制，解析了一些腦功能相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路和電活動(dòng)的規律。由于大腦結構和動(dòng)態(tài)的復雜性，未來(lái)仍需要有更多新的技術(shù)，能觀(guān)測不同腦區內的大群神經(jīng)元，并調控它們的電活動(dòng)；也需要有新的理論框架，來(lái)處理和解析大量神經(jīng)元之間的網(wǎng)絡(luò )結構和電活動(dòng)數據。

　　要理解大腦為什么能進(jìn)行思考，就不只是要觀(guān)測到思考時(shí)有哪些神經(jīng)元和環(huán)路有電活動(dòng)出現，還需要知道為什么它們有電活動(dòng)，這些活動(dòng)是造成思考的原因還是結果。要從相關(guān)性到因果性，就必須能調控（激活或抑制）它們的電活動(dòng)，看看是否能影響思考現象。大腦電活動(dòng)與認知行為之間的因果關(guān)系研究，是目前腦科學(xué)的主要前沿領(lǐng)域。

　　幫助理解認知與教育 

　　大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )有一個(gè)極有利于適應環(huán)境的特性，那就是可塑性。來(lái)自環(huán)境的刺激，包括與其他人的大腦之間的互動(dòng)，都不斷改變大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。從我們出生一刻起，大腦就開(kāi)始探索周邊的世界和環(huán)境，信息也不斷地塑造大腦的結構和功能，使我們能適應環(huán)境的需求。發(fā)育期的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )具有高度可塑性。因此，環(huán)境引起的電活動(dòng)可以主導神經(jīng)網(wǎng)路的增生、鞏固和修剪——保存合適有用的連接，剪除冗余無(wú)用的連接。所以，每個(gè)人不同的成長(cháng)經(jīng)歷，都儲存在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的結構之中，造成因人而異的性格和認知能力。值得注意的是，大腦神經(jīng)網(wǎng)路的形成和修剪過(guò)程都是在出生后幾年的關(guān)鍵期完成的，嬰幼兒期的教育對一個(gè)人的智力發(fā)育比入學(xué)后還重要。

　　所謂“基因重要還是環(huán)境重要？”是一個(gè)有誤導性的問(wèn)題。遺傳的基因為大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )提供了必要的結構材料，基因異常確實(shí)會(huì )造成與智障、自閉癥、精神分裂相關(guān)的異常網(wǎng)絡(luò )，但沒(méi)有環(huán)境的塑造，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構是不能形成的。因此，基因和環(huán)境都非常重要。除了極少數人因為基因突變造成神經(jīng)結構原件出現問(wèn)題，絕大多數人的原件都是正常的，所以智力的差別來(lái)源于發(fā)育期的環(huán)境不同，從而塑造成不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。理解大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)育規律和工作機理，可幫助我們理解思維、智力、創(chuàng )造力的神經(jīng)基礎，啟發(fā)我們設計有助智力和創(chuàng )新能力發(fā)展的教育模式。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的可塑性不限于發(fā)育期，成年大腦網(wǎng)絡(luò )仍保存了相當的可塑性，環(huán)境信息的輸入可以有限地改變網(wǎng)路結構和功能，這也是成年大腦進(jìn)行各種認知功能的必要機制。有限的可塑性可以讓發(fā)育早期經(jīng)驗和學(xué)習的烙印得以保存，同時(shí)使大腦仍具有進(jìn)一步學(xué)習記憶和適應新環(huán)境的能力。雖然可塑性在成年后會(huì )逐漸下降，造成認知能力的逐漸下降，但是所謂“活到老、學(xué)到老”還是有道理的，因為有限的神經(jīng)網(wǎng)路可塑性依然存在。

　　提高腦疾病診治水平 

　　腦疾病和腦創(chuàng )傷是目前社會(huì )醫療和保健體系面臨的最嚴重問(wèn)題之一。根據世界衛生組織的數據統計，腦疾病相關(guān)的社會(huì )醫療護養負擔是所有疾病中最高的，已超過(guò)心血管病和癌癥。以阿爾茨海默癥為例，90—94歲的人群超過(guò)1/3患此病。隨著(zhù)社會(huì )中老年人群比例的不斷增長(cháng)，如果缺少有效的預防手段和治療藥物，數十年后社會(huì )醫療和保健體系將很難承擔。

　　所有重大腦疾病，目前都缺乏有效的藥物。因此，對腦疾病的醫療，目前腦科學(xué)界和醫學(xué)界已有共識，就是應從早期診斷、早期干預著(zhù)手。如何能早期診斷腦疾病？遺傳性和非遺傳性的基因變異與環(huán)境因素都會(huì )導致腦疾病。少數腦疾病如智障、自閉癥、亨廷頓舞蹈癥等的主要致病基因已被鑒定，但是大多數腦疾病的遺傳因素源于多種易感基因變異，這些基因變異在與環(huán)境因素的交互作用下產(chǎn)生了腦疾病。因此，目前的基因檢測在大多數腦疾病的診斷中的貢獻仍然有限。血液和腦脊液中的腦疾病相關(guān)分子、結構和功能腦影像數據、各種認知功能的定量檢測都有可能為早期診斷腦疾病提供指標，但仍需等待大量人群長(cháng)期數據的采集和分析。

　　這就解釋了為什么腦疾病診治和藥物研發(fā)領(lǐng)域多年來(lái)遲遲沒(méi)有重大進(jìn)展的原因。首先，目前腦疾病的診斷，尤其是精神類(lèi)疾病的診斷標準有嚴重的缺陷。例如，大多數精神科醫師使用的是歐美醫師編制的診斷與統計手冊，依據病人癥狀和問(wèn)卷模式來(lái)診斷疾病。但是多種腦疾病的癥狀有重疊，癥狀指標和疾病分類(lèi)仍有爭議，診斷時(shí)主觀(guān)成分較大。如果醫師對疾病類(lèi)型都不能準確診斷，怎么可能研制出準確的治療手段？其次，腦功能失常的原因經(jīng)常是主管該功能的特殊神經(jīng)環(huán)路出了問(wèn)題，但一般藥物的靶點(diǎn)缺乏環(huán)路特異性，會(huì )產(chǎn)生各種副作用。另外，腦疾病患者通常都是在有明顯癥狀時(shí)才進(jìn)行治療，如帕金森病和阿爾茨海默癥，如果到神經(jīng)元已死亡、突觸連接已喪失，治愈的可能性就很小。所以需要早期診斷和早期干預腦疾病。未來(lái)腦疾病的診斷標準和治療，都應針對特定神經(jīng)環(huán)路的異常。因此，腦科學(xué)對腦功能的神經(jīng)環(huán)路解析，對腦疾病診治也將越來(lái)越重要。數十年后，目前使用的神經(jīng)性或精神性疾病分類(lèi)可能都將消失，取而代之的是依據神經(jīng)環(huán)路功能異常的診斷和處方。

　　神經(jīng)系統在受到創(chuàng )傷（如腦卒中、脊髓損傷）后，創(chuàng )傷區附近的腦區可塑性會(huì )大幅度上升，這也是演化篩選出的有利于生物體修復網(wǎng)路的機制。通過(guò)有靶向的生理、物理、心理刺激神經(jīng)系統，可以幫助損傷的環(huán)路再生或建立新的環(huán)路，恢復網(wǎng)路的正常功能。這是腦疾病和腦創(chuàng )傷康復醫療的主要目標。因此，腦科學(xué)解析各種腦功能相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路，可以幫助我們確定康復醫療應該針對的神經(jīng)環(huán)路。例如，在設計“閉環(huán)”康復器件的腦機接口時(shí)，我們不但要用大腦產(chǎn)生的信息來(lái)操作器件，而且需要把反映器件工作狀態(tài)的信息回饋給大腦，進(jìn)一步修正大腦的輸出信息。這個(gè)領(lǐng)域目前的難點(diǎn)是在于如何有效解析大腦的信息，并能有明確靶向性地輸入回饋信息到大腦。腦機接口領(lǐng)域是未來(lái)人腦與機器緊密融合的關(guān)鍵領(lǐng)域，將為人腦控制器件和器件調控人腦狀態(tài)，提供廣泛應用場(chǎng)景。

　　助力人工智能發(fā)展 

　　人工智能是當前最受社會(huì )關(guān)注的科技領(lǐng)域，它出現的目的就是要以機器智能實(shí)現人腦智能，而人腦最重要的特性是能學(xué)習，學(xué)過(guò)后能記憶。所以機器學(xué)習成為人工智能的核心。人工智能包括高效處理信息的機器學(xué)習算法和利用這些算法的軟件和硬件計算系統。因為有了大量已知（可以標記）的數據樣本和強大的計算機能力，近年來(lái)機器學(xué)習的效率大為上升。各種深度學(xué)習算法，就是利用已標記的數據標本讓人工網(wǎng)絡(luò )去學(xué)習；學(xué)的過(guò)程是將標記好的數據輸入網(wǎng)絡(luò )，然后依據網(wǎng)絡(luò )的輸出是否符合標記，來(lái)對網(wǎng)絡(luò )內的神經(jīng)聯(lián)接強度進(jìn)行不斷修正。在多層深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中有大量的聯(lián)接點(diǎn)（突觸）可以被修飾，又有大量已標記的數據可以用來(lái)修飾，使得學(xué)好的網(wǎng)絡(luò )擁有強大的識別未知數據能力。已學(xué)好的人工網(wǎng)絡(luò )可以在計算機的硬件架構中體現，用于信息處理。

　　在上世紀80年代引進(jìn)新的學(xué)習算法，有效地修飾多層人工網(wǎng)絡(luò )中突觸節點(diǎn)，使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )成為機器學(xué)習的主要載體。但是相對于人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，人工網(wǎng)絡(luò )的結構還是太簡(jiǎn)單，它的多層神經(jīng)單元的數目可以超過(guò)人腦，但學(xué)習和處理多樣化信息的能力遠不如人腦，更不用說(shuō)各種復雜的認知功能。腦科學(xué)目前對許多認知功能的神經(jīng)環(huán)路和工作機理的理解雖十分有限，但是我們已經(jīng)知道一些大腦神經(jīng)網(wǎng)的結構和功能原理，已可應用在機器學(xué)習的算法和計算器件的架構之中，這就是腦科學(xué)啟發(fā)的類(lèi)腦人工智能。類(lèi)腦研究不是在模擬人腦，而是將腦科學(xué)的原理應用在人工智能的軟硬件中。

　　目前的人工智能技術(shù)缺乏通用性。語(yǔ)音識別、圖像處理、自然語(yǔ)言處理、機器翻譯等采用不同的模型和不同的學(xué)習數據，兩種不同的任務(wù)無(wú)法采用同一套系統進(jìn)行學(xué)習。而人腦卻采用同一個(gè)信息處理系統進(jìn)行自動(dòng)多模態(tài)感知信息整合、問(wèn)題分析與求解、決策和行為控制等。目前人工智能是否能夠可持續發(fā)展，關(guān)鍵在于機器學(xué)習的算法是否有突破，從依賴(lài)有標記的大數據和高計算能力提升為可以學(xué)習不需標記的少量和多模態(tài)數據，并可以高效節能。這是從專(zhuān)用人工智能轉變?yōu)橥ㄓ萌斯ぶ悄艿年P(guān)鍵。誰(shuí)能首先研發(fā)出這些新一代機器學(xué)習的算法，并能在計算器件中實(shí)現算法，誰(shuí)就能在未來(lái)人工智能領(lǐng)域執牛耳。

　　（作者：蒲慕明，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心學(xué)術(shù)主任）

　　（原載于《人民日報》2020-10-07 第8版）

　　制圖：趙偲汝

　　推薦讀物：

　　1.《大腦的奧秘》：中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所編著(zhù)；上海科學(xué)技術(shù)出版社出版。

　　2.《大腦的未來(lái)》：［英］S.羅斯著(zhù)，尚春峰、許多譯，蒲慕明校；科學(xué)出版社出版。

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