脑科学与类脑智能发展现状与展望.pdf

脑科学与类脑智能发展现状与展望摘要院脑科学被认为是人类科学最后的前沿遥 在过去一个世纪袁它催生了计算机尧人工智能等技术袁并将在 21 世纪继续引领新的科学发现遥 本文从认识脑尧保护脑尧模拟脑等多个角度概述脑科学发展的现状袁并以脑科学为纽带对未来科技发展前景进行展望遥关键词院脑科学曰脑机接口曰数字化曰类脑智能当前处在新一轮科技革命前夕20 世纪 40 年代袁 冯 窑 诺依曼基于当时有限的关于大脑的知识袁建立了现代野冯 窑 诺依曼计算机架构冶袁这些有限的知识来源于最初建造人工大脑的尝试1遥 人工大脑并没有成功实现袁然而袁计算机的发明袁却促成了第三次科技革命遥 随着计算机的应用袁与电气技术广泛结合和替代袁在整个社会层面催生了大量新的需求袁 从而诱发了无数技术创新袁形成了二战至今的一轮经济繁荣遥 当前基于计算机尧 生物技术尧 物联网等技术的第三次科技革命袁已经进入瓶颈袁技术创新难度大袁世界经济有萎缩的倾向遥与此同时袁新一轮技术革命的呼声也很大遥 多年来袁人们寄希望于区块链尧物联网尧智慧城市等新概念能够引领创造新的需求袁创造新的岗位袁带来经济的增长遥 区块链技术带来了显卡大范围铺开应用袁为人工智能的爆发奠定了硬件基础袁分布式计算也将是未来类脑智能重要的技术基础之一遥 智慧城市的发展袁带来了物理世界技术的大整合袁交通尧农业尧工业等行业内和行业间的数据孤岛尧数据烟囱问题得到重视并开始解决袁依托于知识图谱进行知识结构化袁 各种数据要素正在趋于有序袁 数据要素的进阶应用开始逐步引导数字化进程从物理世界的数字化进入精神世界的数字化阶段遥 购物平台利用购物大数据进行购物意图的分析袁娱乐平台利用兴趣标签进行信息推荐袁这些应用反映了社会对精神世界数字化的期待遥 鉴于对精神世界数字化的探索袁 脑机接口概念也一度爆发袁引起了脑机接口投资热潮遥 2022 年袁元宇宙又成为新的热点袁从智慧城市进一步升级袁试图构建物理世界大模型袁 虽然因为体量过于庞大暂时难以成型袁但是这一数字化终极版图也提上日程遥元宇宙概念带来的大量建模尧制图等虚拟化需求袁又催生了人工智能生成内容渊AIGC冤的进一步发展袁 生成对抗性神经网络渊GAN冤尧Transformer尧Diffusion 等 AI 模型的优势得以放大遥 文生图尧图文理解的需求袁 让类脑智能的诸多研究被提上台面袁进入应用遥 2023 年袁因为 ChatGPT 的诞生袁人们燃起了对通用人工智能 渊AGI冤 的憧憬遥 在对ChatGPT 的解析中袁 其真正令外界惊叹的能力源于其前置的诸多底层技术袁如自编码器渊VAE冤袁思维链 渊COT冤袁 以及其他知识推理技术遥 而促进ChatGPT 显现出 AGI 潜力的这些前置技术袁正是来自类脑智能的研究袁 如思维链的技术方案来源于毕业于达特茅斯大学的 Jason Wei 对 野冥想冶的研究7遥许书旭（厦门市北洋脑机接口与智慧健康创新研究院，福建 厦门 361006）厦 门 科 技XIAMEN SCIENCE&TECHNOLOGY第30卷 第1期2024年2月Vol.30 No.1Feb.2024可以看到袁 新一轮科技革命的技术指向性已经趋于明朗袁AGI 当之无愧遥 但是袁虽然人们渴望AGI袁科学家对其实现路径还毫无头绪袁依靠脑科学的研究逐步探索 AGI 谜题成为比较可靠的路径遥脑科学与类脑智能发展现状观察人脑有约 860 亿神经元袁100 万亿神经连接袁而如今家用计算机也有超过 100 亿晶体管袁 超级计算机更是远超此数量袁 计算单元的增加并非催生 AGI 的决定性因素遥 大脑的秘密于人类社会而言袁至今尚未入门袁脑科学被称为自然科学的野终极疆域冶遥面对脑科学与类脑智能发展所要解决的诸多问题袁世界各国早已开始布局袁并投入大量资源遥美国于 2013 年启动野BRAIN 计划冶袁将大脑结构图建立尧类脑相关理论建模尧脑机接口等列为研发重点曰2016 年袁中国脑计划研究正式启动袁2021 年启动了百亿级的科技创新 2030 重大项目野脑科学与类脑研究冶遥 北京尧上海尧浙江尧广东尧天津尧湖北尧四川尧重庆等省市陆续启动区域脑科学计划袁加快脑科学创新中心建设遥 总体来看袁中国脑计划以脑认知的神经基础为主体袁 以脑疾病的诊治及脑机智能技术为两翼开展底层布局袁形成野一体两翼冶的完善战略布局遥1.认识脑认识脑不仅仅是一个科研活动揭示大脑原理的过程袁 事实上袁 脑认知与诸多产业领域关系密切遥 著名竞技真人秀节目叶最强大脑曳自 2014 年首播袁 曾经连续多年稳占同档期卫视综艺前三的位置袁掀起脑科学热潮曰脑科学研究所揭示的大脑机理袁拓展出的大脑开发方法袁如照相记忆尧快速阅读尧逻辑推理相关的技巧等袁备受学生尧家长推崇曰心理学领域的很多心理现象也需要基于对大脑的认知袁设计出合理的心理辅导内容曰在游戏尧商业购物领域存在大量针对人脑的局限性袁 对人进行诱导性消费的问题曰在脑科学研究中袁目前普遍存在的伦理问题袁也难以准确定义遥 这些问题都依赖对大脑的认知袁 只有对大脑机理建立客观解析理论袁才能准确定义人类心理行为的边界袁也才能对各种基于脑科学原理进行应用和利用的行为进行规范遥2023 年 5 月份袁Neuralink 人体临床试验获FDA 批准袁引发一轮脑机接口热潮袁然而袁脑机接口技术应用最大的挑战便来源于对大脑的认知不足袁目前仅有部分现象级的范式能够进行应用遥 但是袁脑机接口等工具产业技术的发展袁也进一步推动了对大脑观测能力的提升袁在单点尧局部尧整体的监测技术的提升袁有助于从多个角度理解大脑遥随着工具得到不断改良袁 对脑科学的认知不断加深袁人类终究可以理解大脑运作机理袁并反过来推动相应工具的升级遥2.保护脑人类一直备受脑疾病困扰袁 但是大多数脑部疾病袁从原发性脑肿瘤等罕见但致命的疾病袁到脑转移瘤尧多发性硬化症尧中风尧帕金森症或阿尔茨海默病渊老年痴呆症冤等主要公共健康问题袁一直以来都缺乏有效的治疗手段袁 严重威胁着人类的生命健康4遥大脑的多重自我保护机制袁 比如血脑屏障作为保护大脑的野安全卫士冶袁能够阻挡异物渊微生物尧毒素尧炎症因子和抗体等冤由血液循环进入大脑袁 使大脑尽可能少受甚至不受外周血液中有害物质的侵害袁保持脑组织内部环境的稳定遥 但是与此同时袁当大脑患有疾病的时候袁血脑屏障又成了治疗药物进入病灶的障碍遥 类似地袁硬脑膜尧蛛网膜尧软脑膜尧颅骨等结构在保护大脑的同时袁也都成了治疗大脑最大的障碍遥如何有效对大脑状态进行干预成为人类亟需攻克的技术难题遥 如今袁 人类已经发展出诸多技术袁如基于吞胞作用的药物递送技术尧病毒载体等生物学技术袁光遗传与声遗传尧经颅电刺激尧经颅磁刺激等生物与电子结合的技术遥 其中最成功的应用为人工耳蜗袁由体外言语处理器将声音转换为一定编码形式的电信号袁通过植入体内的电极系统直接兴奋听神经来恢复或重建聋人的听觉功能遥3.模拟脑类脑智能又被称为神经形态计算袁 旨在模拟许书旭院脑科学与类脑智能发展现状与展望第30卷 第1期41人类大脑的形态结构及信息处理机制袁 从信息的获取尧存储尧处理与通讯等角度袁类脑智能可以划分为类脑感知尧类脑记忆和类脑学习等6遥类脑感知包括模拟视觉尧听觉尧触觉和嗅味觉等袁视觉智能处于产业化前沿袁从上游的光源尧镜头尧相机袁到视觉系统中游的中间算法袁再到下游的设备制造和终端应用等已经取得全面的发展遥但是袁在视频处理尧目标理解等与认知结合的层面尚需要进一步挖掘遥 听觉智能的发展已经比较成熟袁以自然语言处理为核心袁机器翻译尧聊天机器人尧 舆情分析和市场预测等各个领域均已广泛应用遥 一些研究表明袁人脑的机理尧嗅觉尧味觉等功能或许与量子隧穿效应有关袁将量子理论尧脑科学等前沿理论带入应用阶段或许是未来新一轮的技术方向遥 目前袁对温度尧压力尧疼痛感知的分子机制均已揭示袁并且袁基于材料学的研究袁已经可以取得精度较高的传感数据遥 对物理世界的感知决定了人脑对世界的认知袁 感知系统也是虚拟世界获取物理世界状态的基本手段袁类脑感知的研究袁是对物理世界数字化的先决条件遥类脑记忆与类脑学习交叉融合袁在冯 窑 诺依曼计算机架构体系中袁将记忆与学习进行了区分袁然而袁人脑中的相关功能模块特征尧产生机理均有较大差异遥 目前袁已有多种方案基于人脑的学习记忆机理进行设计袁如清华大学钱鹤尧吴华强教授团队通过优化材料和器件结构袁 成功制备出高性能忆阻器阵列遥 基于忆阻器的新型存算一体架构袁有望打破算力瓶颈袁 满足人工智能等复杂任务对计算硬件的高需求3遥 脉冲神经网络渊SNN冤被称为第三代神经网络模型袁 除了神经元和突触状态之外袁SNN 还将时间概念纳入了其操作之中袁有望为构建下一代具有认知特色的高效人工智能模型奠定理论基础袁在神经动力学尧自组织学习尧多模态时空信息融合尧鲁棒信息表征等方面取得突破进展5遥4.脑科学与类脑智能技术观察在脑科学与类脑智能技术体系中袁 对大脑的认识是理论基础袁大脑生理结构尧信息处理原理的破解袁是脑模拟的前提条件袁也是保护大脑尧对大脑进行充分利用的基础遥 基于神经系统的网络机制袁机器学习算法不仅完成了对人脑的模拟袁还创新性提出了更适合计算机处理的反馈机制袁 进一步发展完善了现行的人工神经网络体系遥 但是袁神经传导的脉冲机制袁人脑情景的记忆方式袁大脑可塑性机制还有诸多问题需要解析遥对大脑进行观察与干预所需的系列工具形成了脑机接口产业遥 大脑的生理结构袁血脑屏障的存在袁让生物学手段难以抵达大脑曰颅骨的存在袁让各种电子观测技术对大脑的监测难度大幅度提高曰大脑本身的脆弱性尧复杂性袁也让多数研发处于停滞状态遥 但是随着产业的扩张袁脑机接口产业能够解决的问题也越来越多遥 在对大脑的观察与监测中袁核磁共振尧红外尧超声等感应技术提供了多种不同的观测视角袁 电生理的监测更是产生了消费级脑电应用遥 当前通过消费级脑机接口技术袁已经可以对人的专注度尧 注意力等宏观指向性指标进行一定程度的定性定量曰对兴趣程度尧喜怒哀乐等情绪指标也可以进行相对客观的标定曰 通过经颅电刺激尧磁刺激尧光遗传等技术袁可以一定程度上影响大脑运行的结果遥 大脑信号的监测袁使得精神世界的数字化变得客观化袁 从原来依靠统计分析等间接手段得出的心理特征袁 开始转化为通过直接监测方法获取心理特征遥 精神世界的数字化成为数字化新阶段的重要补充遥对大脑机能的模仿形成的类脑智能袁 衍生出更加多样化的技术体系遥 对神经形态计算的研究袁挖掘出了忆阻器尧忆容器尧忆感器等电路单元遥 随着对人各种感知能力的模拟技术的成熟化袁 人形机器人总体架构愈加完善袁 目前人形机器人已经在力量尧负重尧重复劳作及辅助行动等多个领域媲美人类袁并且有产业化趋势遥 与此同时袁精神世界对人类的模仿也在加速推进袁 情感陪伴机器人利用语义解析可以在一定程度上通过图灵测试曰虚拟人对人肢体语言的模仿可以以假乱真曰 脑控信号的输出与输入袁 进一步让人的思维与数字信号的交互隐蔽化袁虚拟与现实的边界正在模糊化遥脑科学未来展望1.生物技术与信息技术融合由于生物技术渊BT冤与信息技术渊IT冤在材料尧厦 门 科 技422024年2月供能尧控制各方面的差异性袁生物技术与信息技术发展路径一直有较大差异遥 但随着应用的深入袁其交叉融合也越来越紧密袁尤其是在电生理方面袁以电作为媒介袁生物信息与数字信号得到有效交互遥当前以脑机接口为代表的高端生物技术正在加速演进袁成为 BT+IT 的主战场遥 对生物信息在时间尧空间上更精细的监测以及干预能力袁让 BT尧IT 融合踏上了快车道遥 未来 BT 与 IT 的交叉融合袁在个体尧群体能力上都将大幅度扩展遥 如袁通过生物电信号直接控制机械外设袁 典型的应用是目前用于康复领域的外骨骼机械臂遥 根据脑机接口运动想象范式的特征袁 随着外骨骼得到更精细的反馈信号袁人体对外骨骼达到野如臂指使冶的操控是完全可行的遥 进一步地袁经由无线体域网控制袁在微观尧介观尧宏观各式各样的机械装置也将能够参与到人体的运动乃至代谢过程中袁 从而加强人类本身的能力遥2.精神世界的数字化愈加重要数字化发展到元宇宙这样的大型虚拟系统袁基础技术已经不是瓶颈袁AIGC 将在未来很长时间代替人类生产主要的图像尧音频尧视频尧模型和动画资源袁 基础的交互也将可以由语言大模型逐步完善遥 但是虚拟世界中物体尧人员尧事件的组织依然是依托于现实世界的社会结构袁笔者认为袁脑科学影响将不仅仅局限于新技术的发明与发现上遥正如数字化早期阶段虽然很大程度表现在物体的信息化上袁但是更多的资源放在了流程的梳理尧管理信息的数字化上面遥 数字化进入智能化阶段的关键袁依然不在于具体某个开关的智能化控制上遥如何更有效地捕捉到人在场景中的情感需求袁从而在更合适的时间与场景下触发合适的动作袁将持续主导数字化的发展遥 而在适配人的需求上袁传统依赖大数据统计进行模式识别的方式显然无法满足实时性要求袁 更难以满足参与主体的多样化需求袁因此袁脑科学研究所带来的精神世界的数字化将是下一阶段数字化的核心之一遥3.数字化迎来新的发展阶段世界科技在 20 世纪因为新技术与新发现袁衍生出诸多新领域袁呈现出技术大分化特征遥到了 21世纪袁因为数字化的进程加速袁又不断整合诸多领域袁 呈现出将多个产业整合为一套系统的预期袁显现出大融合姿态遥 分化与融合是事物发展的不同阶段袁创新尧创造尧开拓必然带来事物的分化曰总结尧归纳尧控制也必然促成事物的系统化遥 大脑是人体的控制中枢袁人体的各个系统分工明确袁通过感知与反馈袁 人脑能够对物理世界形成极其准确的认知袁同时视觉尧听觉尧触觉尧温度尧压力各种感知的协调兼具独立性与系统性袁其协作有条不紊遥 这正是接下来数字化即将面临的新问题遥 随着数字化系统从单一系统扩展到多系统融合袁 信息的结构化尧分布式存储尧模态融合等都将面临新的挑战遥 从物理世界建模形成的元宇宙世界袁如何与物理世界无缝衔接袁如何有效地在局部与整体上适应环境的变化袁人们又如何透过虚拟世界与机器人扩展自己的活动空间袁人的社会性与个体性如何兼容噎噎从类脑智能发展出的脉冲神经网络尧吸引子网络尧脑内世界模型等理论袁 将随着脑科学的发展不断完善袁为未来智能化建设提供解决方案遥参考文献1234567曾毅,张倩,赵菲菲,等.从认知脑的计算模拟到类脑人工智能J.人工智能,2022,6:28-41.张学博,阮梅花,袁天蔚,等.神经科学和类脑人工智能发展：新进展、新趋势J.生命科学,2020,32(10):993-1013.陈长林,骆畅航,刘森,等.忆阻器类脑计算芯片研究现状综述J.国防科技大学学报,2023,45(1):1-14.余新光,张艳阳.神经外科参与脑科学研究的机遇与挑战J.中国现代神经疾病杂志,2019,19(12):915-919.张铁林,徐波.脉冲神经网络研究现状及展望J.计算机学报,2021,41(9):1767-1785.王冲.人工智能的另一条发展路径：类脑智能技术初探J.科学中国人,2019,6:72-73.机器之心 Pro.本科毕业加入谷歌，写了 思维链，这位新秀正为本科生答疑解惑 EB/OL.(2023-07-24)2023-12-19.https:/ 第1期43