導(dǎo)語：
莊子曰：“天地與我并生，而萬物與我為一?！彪S著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類能夠上天、入地、潛入深海，但錯(cuò)綜復(fù)雜的人類大腦，對科學(xué)家來說仍處于“盲人摸象”的探索階段。郭愛克院士提出，智能社會(huì)的時(shí)代特征是“天地人腦，萬物互聯(lián)”，那么在未來是否可能構(gòu)建出一個(gè)集所有天才特征為一體的完美大腦？
郭愛克 院士
中科院生物物理研究所
上海生科院神經(jīng)科學(xué)研究所研究員
以下內(nèi)容為郭愛克演講實(shí)錄：
今天我想給大家講幾個(gè)腦科學(xué)的故事，請大家跟著我一起進(jìn)入腦海深處。
首先從寒武紀(jì)講起，寒武紀(jì)是五億七千萬年前至五億五百萬年之前發(fā)生的生命大爆發(fā)，大家注意它不叫大爆炸，叫大爆發(fā)，那時(shí)候產(chǎn)生了現(xiàn)代生命的很多祖先。根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象，我們就要要想生命系統(tǒng)和腦系統(tǒng)是怎么演化過來的。
很多人都問，我們?nèi)祟惔竽X為什么這么聰明？其實(shí)大腦不是被設(shè)計(jì)出來的，而是演化出來的。大腦是經(jīng)過浩瀚的歷史長河，通過選擇和演化而產(chǎn)生的。所以我們認(rèn)識(shí)大腦的時(shí)候一定不要忘記歷史，因?yàn)榇竽X本身是個(gè)歷史的產(chǎn)物。我們的大腦在一定意義上來講，就是進(jìn)化歷史留下的記憶。
看看我們的大腦，尺度是一千四百立方厘米，但是黑猩猩是四百立方厘米，顯然這個(gè)進(jìn)化是非常有成就的。剛才很多老師都談到“上九天攬?jiān)?，下五洋捉鱉”，但是人類為什么能做到這樣？靠的是我們?nèi)祟惖拇竽X智慧是集智慧之大成，所以對于大腦來講，我們要有一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)，要懂得大腦是怎么工作的。
人類大腦有100億個(gè)神經(jīng)元、1000億個(gè)神經(jīng)元膠質(zhì)細(xì)胞，加在一起是銀河系的十倍。神經(jīng)元彼此之間要建立關(guān)聯(lián)，要形成突觸，這是十兆級(jí)的。而且人類大腦的神經(jīng)纖維總長度是18萬公里，這個(gè)數(shù)字是什么概念？毛主席有一句話叫做“坐地日行八萬里，尋天遙看一千河”,就是繞地球一周是四萬公里。我們?nèi)祟惔竽X的神經(jīng)纖維可以繞地球四周半！
所以我們在探討大腦奧秘的時(shí)候，要回答這個(gè)問題——腦和智力的關(guān)系。這是由來已久的、經(jīng)典的科學(xué)問題。但是在大數(shù)據(jù)時(shí)代之前，我們對腦的探索往往是基于一些簡單的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，而不能夠用大的數(shù)據(jù)集合來研究大腦，現(xiàn)在人們開始這樣做了。
當(dāng)年，物理學(xué)家薛定諤曾經(jīng)談到什么是生命，他認(rèn)為生命是密碼的、非周期的大晶體、是負(fù)熵等等，使我們后來對生命有了一個(gè)深刻的認(rèn)知。但智力是什么？瑞士的一位發(fā)展心理學(xué)家皮亞杰說：“智力就是你在適應(yīng)，不斷地適應(yīng)發(fā)展過程?！彼运幕卮鹗?，“智力就是你不知道怎么辦而用的東西。”大家想想，我們不知道怎么辦的時(shí)候，用什么了呢？要用學(xué)習(xí)、要用記憶、要用知識(shí)，這些都是智力全部包括的內(nèi)容。
在探討人類大腦的過程當(dāng)中，有幾位大師我一定要提到。一位是西班牙科學(xué)家卡哈爾，他證明大腦的神經(jīng)元是各自獨(dú)立的，是彼此不融合在一起的。這個(gè)觀點(diǎn)很重要。
再一位科學(xué)家是謝靈頓，他認(rèn)為“兩個(gè)神經(jīng)元之間有狹縫”。這個(gè)狹縫是納米級(jí)的，它要通過一些化學(xué)信號(hào)進(jìn)行交流，這個(gè)是非常非常關(guān)鍵的概念。我們大腦不是花崗巖，之所以不是，就是因?yàn)橥挥|之間相互聯(lián)系。
科學(xué)家赫布提到，神經(jīng)元的活動(dòng)之間有可塑性，神經(jīng)元通過學(xué)習(xí)和工作會(huì)建立關(guān)聯(lián)，而關(guān)聯(lián)的效率提高是由神經(jīng)元的工作情況決定。所以有的神經(jīng)元可以退化，是因?yàn)闆]有聯(lián)系了，有的需要加強(qiáng)，這就是神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性基石，由這構(gòu)成了神經(jīng)細(xì)胞的集群，掌控我們大腦的很多功能。
這位科學(xué)家叫克里克，他是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者之一，是一位大智慧的科學(xué)家。他在研究生命本質(zhì)之后，覺得自己應(yīng)該探討最難的問題——意識(shí)，他是研究意識(shí)的先行者。
他們都是外國人，但是我覺得我們不能“言必稱希臘”，我們中國也有高山。這里我列舉了兩位高山，一位是原來上海生理所的所長馮德培，他是早期發(fā)現(xiàn)突觸傳遞的可塑性的，是最早的觀察者。
再一位是張香桐，他們兩位是1907年同年生，是他發(fā)現(xiàn)了樹突棘計(jì)算功能，也是歷史上第一個(gè)觀察到樹突棘的重要性的人。
我們談腦，一定要談到達(dá)爾文。達(dá)爾文說自然界當(dāng)中，生命系統(tǒng)當(dāng)中，是如此的相似，相似性比不同要重要的多，所以他說“演化和選擇創(chuàng)造了生命世界的多樣性”。這是我今天要給大家講的一個(gè)主題，就想強(qiáng)調(diào)我們怎么認(rèn)識(shí)大腦，就要從演化和選擇的角度，看到生命和大腦的多樣性。
大腦留給我們的是一個(gè)最后的秘密文本，怎么探索呢？中科院在2012年啟動(dòng)了一個(gè)很大的戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)，叫做腦功能聯(lián)結(jié)圖譜，我是這個(gè)專項(xiàng)的首席科學(xué)家。這個(gè)項(xiàng)目有多大？它包容了中科院的十四個(gè)研究所，從自動(dòng)化所、神經(jīng)所、生物物理所、中科大、微系統(tǒng)所等等十四個(gè)研究所的六十個(gè)課題組，六十位PI(研究員擔(dān)任課題組長)，現(xiàn)在執(zhí)行了五年，今年該結(jié)題了。
為什么要研究腦功能聯(lián)結(jié)圖譜？是因?yàn)槟X功能有各個(gè)層次，首先有微觀層次，比如說納米級(jí)的、毫米級(jí)的；還有介觀層次，神經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)這個(gè)層次；有宏觀層次，幾十個(gè)毫米的層次。所以腦功能在各個(gè)層面都有表現(xiàn)，我們要從多層次來研究腦的神經(jīng)環(huán)路、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)聯(lián)結(jié)圖譜，研究它們是怎么相應(yīng)地完成腦工作的。
我下面想舉幾個(gè)例子，是這個(gè)大項(xiàng)目當(dāng)中的，幾個(gè)精彩的腦科學(xué)研究的故事。
大家看這個(gè)圖，我剛才講我們?nèi)祟惔竽X的神經(jīng)元數(shù)是一百億，這個(gè)數(shù)字從人類出生開始基本就是這樣子，但是神經(jīng)元之間的聯(lián)結(jié)并沒有完成，這個(gè)完成要經(jīng)過一次剪接過程。最開始突觸茂密地生長，經(jīng)過一段時(shí)間進(jìn)入了剪接過程。這個(gè)過程就是在腦內(nèi)兩個(gè)樹突棘競爭資源的過程。勝利者發(fā)育，失敗者退化。這個(gè)過程很重要，也非常嚴(yán)酷，但這個(gè)過程是發(fā)生在微觀尺度上，所以可以說進(jìn)化、競爭、勝者獨(dú)享的過程是在各個(gè)時(shí)段發(fā)生的。這是第一個(gè)故事。
第二個(gè)就是，競爭不只發(fā)生在微觀尺度上，還發(fā)生在整體動(dòng)物水平上。如果把兩個(gè)小鼠放在管道里面，管道很窄，兩個(gè)小老鼠相向而行，最后它們一定相遇，“狹路相逢勇者勝”，一個(gè)小鼠一定會(huì)把另外一個(gè)頂出去，這就是勝利者。勝利者就可以享有更多的資源，甚至它可以在籠子里把別的小鼠的胡子都拔掉，因?yàn)樗莿倮?，所以這是在小鼠動(dòng)物界當(dāng)中形成一個(gè)社會(huì)。
大家看這個(gè)圖，有一個(gè)勝利者，還有失敗者俯首帖耳的樣子。這在動(dòng)物王國里是分等級(jí)的，這就是大腦內(nèi)的神經(jīng)系統(tǒng)工作的結(jié)果。
最近進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，勝利者還有“勝利者效應(yīng)”。它覺得自己是勝利者，大腦從丘腦到前額葉形成的聯(lián)結(jié)效率會(huì)變得非常之強(qiáng)大，所以它在任何競爭場合都能獲得勝利，并把這種勝利再貫徹于其他的學(xué)習(xí)范式當(dāng)中。我自己想，這或許就是塑造“小鼠性格”的基本神經(jīng)機(jī)制。
我在2001年和我的合作者曾經(jīng)研究過果蠅的抉擇，就是用顏色和形狀的相對矛盾的情況，做出了一個(gè)果蠅“贏者通吃”的非線性的抉擇范式。而這個(gè)類似的范式，后來在2006年，美國人用猴子在兩種蘋果汁當(dāng)中讓猴子做選擇的時(shí)候，完成了一樣的抉擇曲線。就是說這種“贏者通吃”是普遍規(guī)律。
再說記憶，我們腦子可塑性決定記憶。哲學(xué)家說：“你不可能第二次跳入同一條河流中”。怎么研究記憶呢？神經(jīng)所的一項(xiàng)研究成果表明，可以用恐懼記憶去研究學(xué)習(xí)之后神經(jīng)元發(fā)生的變化。這就發(fā)現(xiàn)了有的突觸聯(lián)結(jié)增加了，有的減少了，這就是記憶的痕跡。
現(xiàn)在大家都關(guān)注老年癡呆，所以記憶的機(jī)制是很重要的，了解記憶最初是怎么存儲(chǔ)的，才有助于我們解決老年癡呆的問題，這是這個(gè)研究的結(jié)果。這就說明了“一朝被蛇咬，十年怕井繩”，是一個(gè)記憶的痕跡。而且每個(gè)人一生的記憶有很多，最后形成了你的大腦跟別人的大腦是不同的，另外工作記憶也需要類似的腦區(qū)參與。
人類的大腦不僅有可塑性，還能夠保存記憶，而且學(xué)習(xí)記憶本身最后會(huì)構(gòu)成人類個(gè)性和社會(huì)性的神經(jīng)基礎(chǔ)。為什么人和人彼此不同？就因?yàn)槲覀儌€(gè)人的歷史經(jīng)驗(yàn)、社會(huì)教育等都有不同。
通過進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了，人大概是兩歲的時(shí)候就知道“我是誰”，這是一個(gè)很重要的概念。小孩兩歲的時(shí)候看鏡子知道是自己，我們神經(jīng)所老師的實(shí)驗(yàn)證明，猴子也可以被訓(xùn)練認(rèn)識(shí)鏡子里的自己，這就是記憶學(xué)習(xí)構(gòu)造了我們的大腦。
還有一個(gè)有趣的故事給大家看，人類是可以通過化學(xué)信號(hào)來助于識(shí)別性別特征的。這是七個(gè)小人走路，中間這個(gè)不倫不類；右邊是男性走路的姿勢；左邊是女性走路的姿勢。問你中間這個(gè)走路是男的還是女的，你的回答決定了你的性取向。
怎么做這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？讓你聞一種氣味，這種氣味是一種化學(xué)信號(hào)，叫雄甾二烯酮，女性就認(rèn)為這是男性在走路；如果讓你聞雌甾四烯，你就會(huì)認(rèn)為這是男性在走路。這個(gè)判斷本身是很有趣的工作，證明人類這樣一個(gè)高等靈長類動(dòng)物，也要借助化學(xué)進(jìn)行性別的識(shí)別，這證明了大自然進(jìn)化是多么的相似。
腦科學(xué)當(dāng)中有很多的研究，在中科院神經(jīng)所有研究線蟲的、斑馬魚的、小鼠的、大鼠的，有研究非人靈長類的、各種猴子的，最后還有研究人的。有人問為什么研究這些動(dòng)物的各種不同？就是因?yàn)?strong>每個(gè)動(dòng)物在歷史的演化當(dāng)中，都有特定的歷史階段，它都是一個(gè)歷史的橫斷面。
所以我們研究一種機(jī)制的時(shí)候，也會(huì)切入到某一個(gè)模式動(dòng)物上去，但你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的基本原理、原則是類似的或者一樣的。所以我們神經(jīng)科學(xué)家應(yīng)該從這些原理當(dāng)中，給人工智能的或類腦智能的研究者提供啟迪，說明人類大腦什么原理是很有用的，你們可以用來發(fā)展類腦智能或者人工智能。
我給大家舉個(gè)例子，比如坐大飛機(jī)。飛機(jī)非常豪邁地飛向藍(lán)天，但是早期人們并不知道怎么飛，就做一個(gè)“鳥”來飛。其實(shí)關(guān)鍵是在于了解飛行的原理——空氣動(dòng)力學(xué)。我們現(xiàn)在研究人腦，研究各種動(dòng)物腦，我個(gè)人覺得關(guān)鍵是要提出它的工作原理。
我們說得更遠(yuǎn)一點(diǎn)，現(xiàn)在我們進(jìn)入智能社會(huì)，智能社會(huì)的時(shí)代特征是什么？莊子以前說過，“天地與我并生，而萬物與我為一。”現(xiàn)在我們可以說，“天地人腦，萬物互聯(lián)?！彼晕野雅ｎD放在圖的旁邊，從萬有引力當(dāng)中聯(lián)想到了今天的萬物互聯(lián)，這是很重要的。
我們?nèi)绾握J(rèn)知腦，有很多腦的奧秘我們并不知道。這里給大家講一本書《腦中的幽靈》，這本書是講腦中有很多奧秘，比如有位耳聾的年輕人根本沒有學(xué)過鋼琴，聽了樂曲以后可以彈很好的鋼琴。左手彈一首曲，右手彈另一首曲，嘴巴可以唱著。一個(gè)年輕人可以準(zhǔn)確的說出今天每時(shí)每刻的時(shí)間，精確到秒。這說明大腦的很多奧秘，我們目前一無所知，我們還知之甚少。
于是我就想，我們?nèi)绾握J(rèn)知大腦？大家看一下這張畫，標(biāo)題叫“天才的缺陷”。左手是位五歲的小女孩畫的馬，她有自閉癥，很孤獨(dú)。中間是誰畫的？達(dá)芬奇畫的。右手是一個(gè)同齡的小女孩畫的。畫馬的這位天才小女孩五歲就夭折了，語言表達(dá)也不行，最后夭折了。我把徐悲鴻的畫也擺在這兒，大家看，徐悲鴻也不過如此呀。
這位五歲小孩的天才大腦是怎么構(gòu)造的？于是我就想提這么一個(gè)問題，對腦科學(xué)家、對物理學(xué)家都提這樣一個(gè)問題。就是我們能不能構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)盜用了所有的天才特征，然后來構(gòu)造一個(gè)更加完美的大腦。
這就是我最后想說的“敢為天下先”。毛主席說過，“要有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明，有所創(chuàng)造，有所前進(jìn)”，我希望大家都可以做到，謝謝大家。
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