技术演进——脑研究与类脑计算

脑科学被认为是21世纪最具挑战性的重大科学问题之一,也是当前国际前沿热点问题,被各国视为未来引领经济增长与科技革命的重要研究领域。由于脑科学对人类健康、社会经济发展产生的重大影响,各国相继开展并实施各自的“脑计划”,以经济与社会发展需求标尺评判,各不相同,各具特色。

美国在2013年率先实施BRAIN计划,该计划由美国国家卫生研究院、国防部高级研究计划署与国家科学基金会共同支持,启动资金达1亿美元,并在10年内投入30亿美元。美国脑计划主要关注新型脑研究技术,重点探索人类大脑工作机制、绘制脑活动图谱,拓展对人类大脑健康和患病状态的认知,结合相关研究成果找到最终治疗、治愈以及预防神经系统疾病的方法。欧盟也在2013年提出了HPB计划,该计划整合欧洲22个国家、86家机构与150个研究团队,在10年内投入10亿欧元,重点关注以超级计算机技术来模拟大脑功能,从脑功能结构、脑有关的疾病以及大脑工作建模三个方面展开研究。日本在2014年制定了脑科学研究推进计划,共投入160亿美元,重点在揭示脑、阐明脑功能、控制脑的发育和衰老、预防和治疗神经性疾病以及开发仿脑计算机方面进行研究。我国在2012年启动并实施了中国科学院“脑功能联结图谱”战略性先导科技专项,并提出“一体两翼”的发展规划,其中“体”是以研究脑认知的神经原理为主,“两翼”是研究脑重大疾病诊治新手段与脑智能新技术,还在“十三五”规划纲要中把脑科学研究列入国家重大科技项目,其中有两个重点关注方向,一是以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究;二是建立并发展以人工智能技术为导向的类脑智能研究。

目前,人类主要从微观和宏观两个维度研究大脑。微观方面,科学家从分子细胞水平来解析脑的活动机理,对脑神经元细胞水平的信息处理机制已经有了阶段性成果;宏观方面,科学家从各脑区及脑皮层来探究脑的功能及关联关系,也已经在多方面有了研究突破。但是在微观与宏观的交界面,例如,信息在神经环路中如何连接、传递以及神经网络如何执行脑区各项功能,仍然面临着一项又一项挑战;在脑研究的仿真、模拟及其应用方面,如何将计算机与人类结合以便增强人类现有的生物机能与脑力水平,也仍然有大量研究工作有待开展与推进。

现今,随着成像技术不断发展、成像分辨率迅速提升,科学家已经可以发现大脑中神经元的放电规律,并可以通过光脉冲探索大脑内部细胞的活动状况,采用高分辨率成像技术甚至能够观测并判断大脑内部神经元之间的功能连接。然而,针对大脑中更加复杂的意识与思想,目前还没有有效的科学仪器去探究与分析,神经科学的研究工具仍是重要的研究课题;虽然“脑计划”研究已经引起了国际上众多科学家的重视,但是全脑图谱的研究远未实现。从大脑对外界环境的感官认知,到对人类以及非人灵长类自我意识的认知,再到对语言的认知,在三个层次展开研究:具体探究人类对外界环境的感知,如人的注意力、学习记忆以及决策制定等;通过动物模型研究人类以及非人灵长类的自我意识、同情心及意识的形成;通过探究语法以及广泛的句式结构,用以改进人工智能技术。

人工智能研究领域专家梅宏认为,目前对大脑的研究是结合生物、物理、信息等多学科的交叉综合研究。解析生物大脑并利用人工智能仿生技术的研究参与模拟大脑神经系统的结构与工作机制,进而为推动人工智能的创新发展提供可能性与新思路。2020年7月15日,随着英国公司Graphcore研发的AI芯片问世以及类脑芯片的开发,颠覆了传统芯片采用的冯诺依曼计算体系。模仿大脑运算模式的类脑芯片,其研制核心在于存算一体,其研制目标在于像大脑一样实现高性能低功耗的智能计算。这种新的计算模式即类脑计算,应运而生。

总之,全球性的脑科学与类脑研究反映出科学界和各国在“认识脑”　“保护脑”“创造脑”方面的战略共识,并正在以不同形式展开与脑相关的各类科学研究,以此来解决人类所面临的生物与神经科学方面的问题,并向新一代人工智能技术与科技革命演进。