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第3章 脑科学：“最强大脑”来袭
这节在解决什么：第3章 脑科学：“最强大脑”来袭
怎么迁移到自己的系统：大脑是人体最复杂的器官，破译大脑运转密码、揭开生命之谜，是令无数科学家殚精竭虑的艰难课题。脑科学主要研究脑的结构和功能，其研究热潮正在全球范围内兴起。在迄今为止的诺贝尔生理医学奖中，有四分之一的奖项内容与脑科学相关。脑科学已成为21世纪最前沿的研究领域，尤其与信息科学进行交叉研究已成为脑科学发展的一个重要趋势。脑科学的研究成果，不仅有助于人类脑疾病的防治，还将对信息和智能产业的发展产生巨大的推动作用。随着对大脑结构和功能的认知程度不断加深，未来脑科学研究不但能够塑造自我的“最强大脑”，而且能够构建模拟的“最强大脑”，从而广泛带动教育心理、医药健康、信息科技、军事安全等多个领域的创新。
提醒：大脑是人体最复杂的一个系统，它由超过800亿个神经元组成，每个神经元又衍生出1000个分支（见图3-1）。面对如此庞大精细的神经网络，将全世界的计算机放在一起运行都无法逾越。在已知的宇宙中再也没有比大脑更复杂的系统了，因此对大脑及其功能的研究已经成为现代科学最大的挑战。人类认识大脑的进程，经历了从“功能模仿”到“结构复制”逐步深化的过程。
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人类能够认识和复制大脑吗
这节在解决什么：大脑是人体最复杂的一个系统，它由超过800亿个神经元组成，每个神经元又衍生出1000个分支（见图3-1）。面对如此庞大精细的神经网络，将全世界的计算机放在一起运行都无法逾越。在已知的宇宙中再也没有比大脑更复杂的系统了，因此对大脑及其功能的研究已经成为现代科学最大的挑战。人类认识大脑的进程，经历了从“功能模仿”到“结构复制”逐步深化的过程。
怎么迁移到自己的系统：造出像人脑那样有高度智能的机器一直是人类世代的梦想，人们曾以为只要根据人脑表现出的智能，通过精心编程就有可能用计算机加以模仿。在行为主义思潮之下，一些人想仅仅通过提高计算机的运算速度和加大计算机的存储容量来创造与人脑一样聪明，甚至比人脑更聪明的智能机器。然而，只是一味从行为上模仿人脑的某些功能而不深究大脑结构和工作机制，就不可能真正使用机器实现人工智能。例如，IBM的“深蓝”是没有智能的，它只是一个“制作精良的工具，在一个限定的领域内能够表现出智能行为”。虽然我们可以利用大量数据和性能更高的计算机来模拟人类的行为，但人类真正的认知过程并非如此。人类大脑中似乎有一些“内置”的功能，使得连小孩子都可以从少量数据中学习到某一个概念。比如说，儿童看到一个苹果就能在头脑中形成苹果这个“概念”，而传统的机器学习并不具备这样的能力。
提醒：仅仅在行为上模仿人的智能，并无助于我们认识大脑和心智的机制问题。这样，一些人就试图在简化的条件下，模仿大脑的局部结构，构建在某些功能方面类似于脑的机器。以仿神经结构工程为例，2009年研究者就已经构造出有100万个神经元的神经网格超级计算机（Neuro grid supercomputer），由16个神经网格芯片组成，能够模仿100万个神经元和60亿个突触联结。神经网络计算机有低能耗和自动化两个显著优势，一方面通过固化在单晶硅片上的大量仿真神经元实现低能耗，其功率不足1瓦；另一方面“神经网格”芯片还可以自动进行编程。
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脑科学的大国竞争
这节在解决什么：可以说，脑科学是21世纪最富有挑战性的重大科学问题，也是当前国际科学前沿的热点领域，被视为未来新的经济增长点和引领新科技革命的潜在引擎。脑科学研究已成为世界各国科学研究的重要领域。鉴于脑科学在整个自然科学领域中的前沿地位和重要性，以及经济、社会发展对此学科的重大需求，美国、欧盟、日本等国家和地区相继推出了各自的脑科学研究计划。在了解人脑的结构和功能的共识下，各国的“脑计划”有所不同。为了塑造国际竞争新格局，中国也在脑科学研究方面做出了相应的战略部署。
怎么迁移到自己的系统：早在1989年，美国就率先把20世纪的最后10年命名为“脑的十年”（The Decade of the Brain），并开始实施国家科技发展的宏伟蓝图。2013年美国政府公布了“推进创新神经技术脑研究计划”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN），简称“脑计划”（The Brain Activity Map，BAM）。奥巴马甚至将脑科学与美国20世纪60年代的“太空竞赛”相提并论。实际上，该计划可同“人类基因组计划”（the Human Genome Project，HGP）相媲美。由美国国家卫生研究院、国防部高级研究计划署、国家科学基金会共同支持，项目启动资金达1亿多美元，预计在10年内投入30亿美元。美国的“脑计划”更关注新型脑研究技术，试图探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图，并最终找到治疗、治愈甚至预防诸如阿尔茨海默综合征、自闭症等神经系统疾病的方法，拓展全民对人类大脑健康和患病状态的认知。
提醒：鉴于脑科学对于人类健康、经济发展和社会进步的巨大影响和重要意义，欧盟也于2013年宣布“人脑工程”（the Human Brain Project，HBP）入选“欧盟未来新兴旗舰技术项目”（EU Future Emerging Technology Flagship），该项目计划在10年内投入10亿欧元经费，整合欧洲22个国家、86家机构的150个研究团队，目的是促进全新的集团性、协作性的整合方法，确保神经科学家们能够共享数据、知识和专长。与美国奥巴马政府的“脑计划”不同，欧盟的人脑工程更强调实用性，侧重以超级计算机技术来模拟脑功能，重点包括三个方面：一是对脑结构、功能和机理的研究；二是对与脑有关疾病的研究，并加大力度研发新的诊断和治疗方法；三是利用信息技术建立大脑的工作模型。
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从“认识脑”到“创造脑”
这节在解决什么：大脑作为人体最复杂的机体器官，其复杂程度难以想象，其功能之强大也远未被我们所认识。脑科学研究的终极目的是“认识脑”，从而“保护脑”，并最终“创造脑”。“认识脑”就是要揭示脑功能的本质，“保护脑”就是要预防和治疗脑的疾病，“创造脑”就是要激发人脑的潜在能力，开发人工智能。“认识脑”应是其他两个研究类别的基础，并贯穿于所有脑科学研究领域之中。
怎么迁移到自己的系统：“认识脑”的战略目标由两部分组成：一是阐明行使“感知”“情感”和“意识”的脑区结构和功能；二是阐明脑通信功能。人类跟动物最大的区别在于人类有大脑皮层，它的面积很大且具有非常复杂的结构。大脑皮层分为6层，共有约860亿个神经元细胞，互相连接形成了复杂网络。人脑在处理信息的时候，大脑皮层的不同区域，会处理不同的任务。有些是处理视觉的，有些是处理听觉的。在信息技术或者人工智能处理中，图像、语音、文字、触觉都是分离的。非常有趣的是，人脑处理不是这样的，通过脑通信功能，视觉、触觉和听觉会交叉，能够形成“记忆”。值得注意的是，记忆和存储是不一样的，记忆能够体现出信息抽象的特征。
提醒：大脑皮层具有超强的记忆功能，并且能够实现预测，而计算机的工作原理则是通过运算和存储实现的。“记忆”具有自联想的回忆模式。例如，当看到人脸的上半部分，马上能想到脸的下半部分是什么样子；当听到句子前半部分的时候，就能够预测到句子的后半部分。大脑记忆能够实现人脸自动识别，不需要复杂的计算过程。因为记忆有预测功能，这与使用计算机通过运算实现人脸识别的过程完全不同。
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新研究领域的“奇思妙想”
这节在解决什么：脑科学不仅是高度综合的学科，而且是飞跃发展着的学科。在脑科学、脑疾病早期诊断与干预、类脑智能产品三个前沿领域中，新观点、新发现、新技术层出不穷。在基础性的“认识脑”领域，主要研究大脑对外界环境的感观认知、对人类以及非人灵长类自我意识的认知、对人类语言的认知等，通过探究语法以及广泛的句式结构，用以研究人工智能技术。“认识脑”技术主要体现在神经标记和神经环路示踪技术、大脑成像技术、神经调节技术、神经信息处理平台等方面；在“保护脑”的应用医疗领域，随着神经遗传学的发展，增强了对导致神经和精神异常的人类遗传途径的认识；在“创造脑”的人工智能领域，类脑科学通过类人脑神经网络模型和计算方法的建立，以及通过类脑计算、处理、存储设备技术的研究，有助于实现新一代人工智能机器，以及类脑机器人等项目的开发。
怎么迁移到自己的系统：人脑中错综复杂的神经元网络，就如同地球上密布的道路网，如今人们借助遥感卫星很容易分辨地球上的道路网，但要绘制“脑地图”，似乎远比发射几颗遥感卫星要困难得多。大脑图谱（brain mapping）有助于描绘大脑皮层的分层结构，表达特定细胞类型或基因，并明确它们与疾病的关系。2013年，美国科学家成功绘制出了人类胚胎时期的大脑图谱，《自然》刊登了相关研究成果。大脑图谱不仅在全脑范围内把基因表达剖析得一清二楚，甚至精确到大脑皮层的每个分层。大脑图谱能识别出更多与脑疾病相关的基因表达，对发育性神经系统疾病的研究具有重大意义。
提醒：大脑记忆（funny memories）则认为，记忆不一定像白纸黑字写进大脑一样，不容更改。人类不停歇的生命活动导致大脑记忆随着时间的推移而改变。此外，思维定式和情绪可以影响人的注意力和记忆。科学家们正在研究一些实验化学制剂，注射后可干扰记忆形成蛋白，消除某些不适感觉。比如吸毒者对毒品的欲望记忆的形成和回忆是一个逐步发展、激活和可塑的过程，涉及大脑许多不同部分的工作，目前对这方面的研究还没有探明完整的复杂机制。大脑可塑性（brain plasticity）则利用成像技术和荧光标记细胞方法，在大脑学习新的信息之时对它进行研究，观察脑细胞活动，从而揭示大脑可塑性的机制。神经胶质细胞（neuroglia cells）的新作用也受到重视。与神经元不同，神经胶质细胞之间没有生物电通信。数百年来，科学家认为这些细胞虽然在大脑中含量丰富，但仅起到对大脑的辅助功能。然而，新的成像方法使得科学家有了重新研究胶质细胞的机会，他们发现，在记忆和学习等重要的大脑功能中，神经胶质细胞起着关键性作用。
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脑科学将促生“最强大脑”
这节在解决什么：选择脑科学作为突破口是因为脑科学研究意义深远，不仅关乎人类的健康和福祉，而且关乎未来的生产力，有望深刻改变社会。脑科学研究不但可以揭开大脑高智能、高效率、低能耗之谜，提升人类健康水平，其研究成果也会为下一轮新技术革命提供重要支撑。尤其在工业创新领域，发展信息社会所必需的“脑型机器”，像人工智能、智能机器人、自动驾驶等，脑科学研究的成果正在改变创新模式并影响我们生活的各个方面。
怎么迁移到自己的系统：脑科学研究首先是保障人类健康的需要。在医疗健康领域，重点解决社会老龄化的问题，由于信息社会快节奏所带来的各种脑疾患者以及由于其他原因所引起的各种脑疾患问题。
提醒：运用新的生物技术针对脑科学和脑疾病的研究是国际前沿热点方向。脑科学对人类的意义重大，可以说人类的一切行为都和大脑有关，聪颖与痴呆、学习与记忆、行为与障碍、衰老与再生……迄今为止，医学研究已经发现超过500种脑部疾病，如人们熟知的阿尔茨海默综合征、癫痫、精神分裂症、偏头痛、脑血管疾病和脑肿瘤等。随着老龄化加剧，阿尔茨海默综合征对人类健康的威胁及对医疗保健设施和全球经济造成的负担越发严重，已成为不容忽视的社会问题。仅2010年，全球这一病症的医疗支出就达6040亿美元，远远超过癌症和心脏病的医疗支出。
