一文详解脑科学研究与产业发展方向

2017 年 10 月 24 日 人工智能学家 格格

来源：神经科技、脑计划

概要：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。

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。

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。神经网络是如此庞大精细，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。

大脑功能的模仿

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。

大脑结构的复制

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，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。

与总量超过800亿的人脑神经元相比，神经网格超级计算机所模仿的100万个神经元数量微不足道。何况人类大脑中的生物神经元有着极大的多样性，更不用说还有着比神经元数量多10倍的神经胶质细胞，人类对它的认识还远远不足。这些都会成为制约仿神经结构工程进一步发展的“瓶颈”。无论如何，不在传统的计算机上进行仿真，而是直接用硬件实现性质类似于神经组织的芯片，这种方法给人类建立“人工脑”之梦开创了一条可行的新路。

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作出了相应的战略部署。

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”：阐明脑功能

“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。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。

“保护脑”：征服脑疾病

人类大脑大约有860亿个神经元，它们是如何连接以及是如何导致精神错乱，或是如何出现神经性疾病的，目前人类还尚未得知。随着全球人口老龄化时代的到来，阿尔茨海默综合征、帕金森综合征及亨廷顿综合征等神经衰退性疾病日益威胁着人类的健康，“保护脑”成为脑科学的研究重点。一些常见的脑功能障碍疾病，如自闭症、精神类疾病、阿尔茨海默综合征等都是全世界的难题，也都与大脑的奥秘有关。

所以，“保护脑”的战略目标就是要征服脑疾病:一是控制脑发育和衰老的过程;二是神经性和精神性疾病的康复和预防。脑科学研究成果应用的首要目标是脑疾病的诊断和治疗，通过研究大脑的工作机理，以及通过建立动物模型研究大脑神经回路技术，从而更好地诊断以及治疗大脑疾病。随着脑科学的发展，一些困扰人类已久的脑疾病，如自闭症、心理障碍、抑郁症、上瘾及神经衰退性疾病、阿尔茨海默综合征、帕金森等都有望被最终攻克。

“创造脑”：开发人工智能

“创造脑”的战略目标是开发仿脑计算机，由两部分组成:一是发展脑型器件和结构;二是脑型信息产生和处理系统的设计和开发。脑科学研究成果将促进人工智能等技术的研发，这一领域的研究突破将引领新一轮的科技革命，并促使经济社会发展呈现出崭新的局面。

在健康医疗领域，可以将传感器植入瘫痪患者脑部，患者就能够用大脑意念操控机械手臂，这大大便利了患者的日常生活。大脑传感技术依靠一个由数百个接触点组成的传感器实现，每个接触点对应大脑中特定的位置，能够即时“解码”从脑细胞和神经中传来的信号。信号被传递到电脑之后，由特定软件对照人体运动模式进行解码分析，并生成操作机械手臂的代码。

在工业创新领域，宝马公司的研发人员就借此成功改装了一辆宝马i3电动汽车，使其能够仅凭一个人的意念来远程驾驶。在展示中，通过将脑电波翻译成驾驶指令，可以控制这辆车在一个曲线跑道上行驶。

总之，脑科学研究以“认识脑”为基础，“保护脑”能够有助于帕金森综合征、阿尔茨海默综合征等脑疾病的诊断和治疗，改善脑疾病患者的生活质量;“创造脑”将为人工智能和机器人(300024,诊股)技术带来实质性的突破，实现人机交互，让人类可以完全按自己的意识来操作机器。脑科学和类脑研究的全球性热潮反映了科学界和各国政府的三点共识。

其一，脑科学是人类理解自然界现象和人类本身的终极领域，也是最重要的前沿学科之一。

其二，脑疾病所带来的社会经济负担已超过心血管病和癌症，脑科学的发展对脑疾病的诊断治疗将有关键性的贡献。

其三，计算机技术和人工智能发展至今已面临“瓶颈”，对人脑认知神经机制的理解可能为新一代人工智能算法和机器的研发带来新的启示。

各国的脑科学研究机构，正在对不同层次有关脑的研究数据进行检索、比较、分析、整合、建模和仿真，并绘制出脑功能、结构和神经网络图谱，以此来解决神经科学所面临的海量数据(603138,诊股)问题，最终达到“认识脑、保护脑和创造脑”的战略目标。为适应脑科学的快速发展，一些国内的科学家提出，中国“脑科学”计划应该作出针对性的战略部署。

新领域：触发“奇思妙想”

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和类脑机器人等项目的开发。

现在，脑科学基本确定了以阐明脑和神经系统工作原理和运行机制为目标的研究方向，即以认识脑认知原理为基础，以脑重大疾病诊治和类脑计算与脑机智能为两大重要应用领域。

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。

健康医疗：疾病诊断新手段

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。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。随着社会老龄化加剧，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。

在我国，脑相关疾病导致的死亡人数已占死亡总数的25%以上。据估算，中国未来的脑疾病负担可能达到每年上万亿元的水平。脑科学研究的突破，必将推动脑疾病防治的根本进步，提高人们的健康水平和生活质量。脑科学也必将带动中国产业转型和创新发展。2016年3月，深圳举办了“非人灵长类脑科学未来发展态势国际研讨会”，提出依托生物医药产业，将深圳打造成科学前沿和药物研发并重的脑科学城市，对深圳在生物医药产业，尤其是对脑科学、脑疾病和脑技术领域的学科发展起到了积极的催化作用。

人工智能：类脑智能新技术

近年来，植根于脑科学的人工智能研发取得了突破性进展，引爆了新的科技和产业革命。国际高科技产业巨头已开启大规模投入，一大批创新产品已经推出，后续竞争异常激烈。2011年，“谷歌大脑”项目在人类历史上首次实现了机器系统对各种不同类型猫图像的自动识别，正确率与人类似。随着新型人工智能被快速推广到公共安全、金融投资与风险调控、医疗诊断、新药开发等关系国计民生的重要领域，势必带来新一轮的产业革命。人工智能近年的突破主要归功于类脑的初步模拟、大数据和强大的计算能力。

目前取得突破的人工智能更多地沿用经典的计算框架，如何借助脑科学的研究成果，突破现阶段模拟计算中的“瓶颈”，是人工智能推向新阶段(类脑人工智能)的必然路径。另外，类脑人工智能也将有助于破解当前脑科学研究中的核心难题，对真实神经系统的计算模拟将为脑功能的认识提供崭新的思路。

在企业层面，目前参与人工大脑研究的信息技术企业如IBM、谷歌，以及一批中小型创新企业如Emotiv、NeuroSky等，率先在前沿技术领域取得成绩。通过对人脑的结构、动态、功能和行为进行研究，IBM领导的“认知计算”研究小组期望打破传统的机器语言编程模式，为神经键和神经元开发出纳米级的设备，从而挑战大脑的超低能耗和超小体积。

2016年，IBM使用相变材料，制造出了能存储和处理数据的随机脉冲神经元。这种神经元集群与人造突触等纳米计算元件联合，或是制造可用于认知计算领域的下一代超密集神经形态计算系统的关键。相变材料的人工神经元不但能执行多种计算，如检测数据关联等，而且速度快、能耗低。GoogleX实验室开发出了模拟人脑并具备自我学习功能的“谷歌虚拟大脑”。“谷歌虚拟大脑”是为模拟人脑细胞之间的相互交流、影响而设计的，通过模拟人脑中相互连接、相互沟通、相互影响的“神经元”，由1000台计算机、16000个处理器、10亿个内部节点相连接，形成一个“神经网络”。

新一代信息技术的战略性和前瞻性，一直是全球科技界和产业界关注的焦点。人类社会也正在成为信息社会，每个人都越来越频繁地与各种信息处理系统打交道。为了实现脑科学与人工智能的有效结合，深入了解大脑的信息处理机制以及其与现有计算机实现人工智能方法的差异是非常有必要的。未来人工大脑的进一步发展，有望加快研究人工大脑相关计算模型，促进相关标准、指导方针和技术工具的发展，使多个人工大脑研究平台实现相互协作，从而使得脑科学真正成为塑造和构建“最强大脑”的基石。

相关国家和地区的“脑计划”

美国的“脑计划” 2013年美国政府公布了“推进创新神经技术脑研究计划”简称“脑计划”(The Brain Activity Map，BAM)。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，预计在10年内投入30亿美元。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。

欧洲的“人脑工程” 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。计划侧重以超级计算机技术来模拟脑功能。

日本的“脑科学时代” 1996年日本制订了“脑科学时代”(the Age of Brain Science) 把认识脑(揭示脑的奥秘，阐明脑的功能)，保护脑(征服脑疾病，包括控制脑的发育和衰老，治疗和预防神经性和精神性疾病，探索神经性和精神性疾病的预防方法等)及创造脑(开发仿脑计算机，包括开发脑型器件和结构，开发仿脑的信息产生和处理系统)列为脑研究的三大任务，共投入约160亿美元。

中国的“脑计划” “十三五”规划纲要已经把脑科学和类脑研究列入国家重要规划项目 2012年中国科学院实施启动了“脑功能联结图谱”战略性先导科技专项，聚焦于“深耕”特定的脑功能，包括感知觉、学习记忆、情绪、抉择等，以及新技术、新方法的研发。类脑计算和人工智能研究是中国脑计划的重要组成部分，两者的相互促进将成为未来产业革命新的爆发点和增长点。

促进中国“脑科学”的重要措施

1、重大科技计划充分重视发展神经科学和类脑人工智能技术的必要性和紧迫性，加快重大科技计划部署和实施

2、专门管理机构由国家相关部门牵头，成立“国家脑科学和人工智能专项管理和运行机构”，赋予强有力的科技方案制订和运行管理等方面的职责，抓紧提出系统性综合方案，统筹研究及开发力量，对重点研发领域实施攻关

3、细化项目设计工程化设计“脑科学与类脑研究2030重大科技项目”，做好顶层设计的同时鼓励变革性理论和技术创新，并具备随着项目实施进程及时修正和完善技术路线和方案的管理体制机制

4、实现产业化发展充分调动和利用社会资源，加快人才的培养、集聚和流动，促进科技成果的转化和产业化，提升国家综合竞争力

5、国际科技合作强化论证，形成国际科技合作的新策略，争取在这一领域，由我国牵头发起国际重大科技计划。

脑科学的八大重要进展

1、动物之间“心灵融合”成为可能杜克大学的神经科学家已经缔造了一个脑网(Brainet)，用电记录和电刺激，将动物大脑的电信号连接起来。连在一起后，这些动物学会了共同解决一些问题，如预测天气或者移动机械手臂，表现得比单只动物好。

2、人们对色彩的认知竟然完全不同对色彩的不同感知是因为大脑在不同光照条件下对色彩的感知不同。

3、并没有男性大脑和女性大脑之别一半以上的人同时拥有男性和女性的特点，这意味着人脑不可能被划分到单一的类别中。

4、为睡眠中的老鼠注入虚假的记忆当老鼠睡觉时，科学家开始刺激与某个空间位置有关(即位于该区域时，该脑区会被激活)的老鼠脑区。当老鼠醒来时，完成了它们曾经去过某个地方的虚假记忆。

5、大脑会自我清洁脑膜的最外层存在着淋巴管，脑膜是围绕着大脑的保护层。科学家发现的这些“管”拥有淋巴系统的特征，将免疫细胞和其他液体输送到邻近的淋巴结，并在那里滤除废物。