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來源：中國人工智能學會

原創(chuàng) ：CAAI

作者：吳朝暉院士

吳朝暉

中國科學院院士

浙江大學校長

IEEE/CAAI/CCF/CAA Fellow

以下是吳朝暉院士的演講實錄：

21世紀被稱為“腦研究世紀”，伴隨著腦科學和認知科學的興起，特別是神經科學與各種工程技術的多元融合發(fā)展，腦與機的界限被逐步打破，進而推動產生了腦機智能這一新型智能形態(tài)，這也使得信息科學與生命科學得以相互滲透、相互融合，為實現(xiàn)腦與機的雙向交互、協(xié)同工作及一體化提供了可能性。面對從人工智能到腦機智能的發(fā)展進程，迫切需要進一步明晰人工智能發(fā)展現(xiàn)狀、腦機智能的內涵外延及未來發(fā)展趨勢等關鍵性問題。

一、人工智能的發(fā)展現(xiàn)狀

在國家競爭層面，人工智能正成為各國戰(zhàn)略必爭的領域，幾乎所有的發(fā)達國家均已發(fā)布了人工智能戰(zhàn)略。我國在2017年發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，并啟動了《促進新一代人工智能產業(yè)發(fā)展三年行動計劃（2018-2020年）》，開啟了對于人工智能發(fā)展制高點的戰(zhàn)略角逐。

在產業(yè)發(fā)展層面，人工智能成為了企業(yè)特別是ICT企業(yè)跨越發(fā)展的戰(zhàn)略增長點，如百度、阿里、騰訊、華為、微軟、Google、Facebook 等中外企業(yè)都提出了人工智能發(fā)展戰(zhàn)略，不斷挑戰(zhàn)和戰(zhàn)勝人類智慧的極限，將人工智能的研究成果從傳統(tǒng)領域推向新型領域。以Google 的DeepMind 為例，Google將AlphaGo以深度神經元為代表的智能系統(tǒng)等思路運用到蛋白質序列預測中，使得人類可以通過AI算法甚至是深度神經元算法預測未來新物質。這就將人工智能的影響力從傳統(tǒng)的棋律對弈過程轉到了生命科學領域。

在學者研究層面，人工智能成為眾多科學共同研究的領域，代表著科研創(chuàng)新的重要研究方向。圖靈獎獲得者Marvin L.Minsky于1969年就提出了用一種框架來進行人工智能的知識表達；人工智能科學家Allen Newell 認為，物理符號系統(tǒng)能夠實現(xiàn)通用的智能活動；2019年圖靈獎者Geoffrey Hinton認為，理解大腦運作方式是未來人工智能發(fā)展的一個重要方向；2021年圖靈獎獲得者Judea pearl認為，智能系統(tǒng)面臨的不是確定性問題，而是不確定性問題。

自“人工智能”這一術語在1956年被首次提出至今，人工智能研究已成為具有廣泛共識的交叉領域和前沿科學?？v觀人工智能發(fā)展的60多年，雖然學者們的研究側重點各有不同，但相關研究觀點大體可以分為以下三個學派：一是符號主義，強調用符號的表達方式研究智能問題，特別是知識表達問題和知識推理問題；二是連接主義，主張以腦的神經系統(tǒng)研究智能問題，如用Union Networks來模擬智能，特別是模擬感知中的感知智能；三是行為主義，以認知心理學和控制科學等手段和方法論，對人類的行為進行模擬，認為人類的行為就是智能的表現(xiàn)。

從研究成效看，三大學派都豐富了人工智能的發(fā)展理論，解決了人工智能的推理、感知、人的行為等若干實現(xiàn)問題，均遵循以機器為中心的研究視角，不過正因為這一研究視角，讓人工智能的發(fā)展存在諸多局限性。如有人工智能學者認為，這幾年人工智能的發(fā)展主要是大數據發(fā)展的結果，多數計算模型較多依賴于數據，讓機器智能呈現(xiàn)出以下不足：一是計算存在局限性；二是模型的復雜程度高；三是過度依靠數據。

針對這些不足，引入人類智能成為一種必然選擇。人類大腦是智慧和信息的載體。粗略估算，人類大腦中約有1000億個神經元，和宇宙中的星球數量相當。在漫長的人類進化歷程中，腦的進化體現(xiàn)了生命的奇跡。根據神經科學、腦科學的研究成果，腦的單個神經元通過處理和傳輸其信號，可以替代大腦的部分功能。更為難得的是，人腦體現(xiàn)的不是單個神經元、一組神經元、100個神經元或者1萬個神經元簡單加總的功能特點，而是幾百個神經元組成一個功能組，若干個功能組組成集群?？梢姡祟惔竽X的功能，不只是單個神經元的作用結果，而是神經元的組織與群體所形成的功能。

在腦科學的發(fā)展進程中，信息技術起著至關重要的作用，特別是20世紀90年代以來，信息技術的突破形成了一系列觀測人類大腦的方式，讓腦科學研究取得了關鍵進展。如人們可以長時期、多通道對活體大腦進行記錄，這為從神經元到神經群體的研究跨越，以及大腦區(qū)塊、區(qū)塊鏈連接等研究提供了有力支撐。21世紀初以后，腦機接口的出現(xiàn)，促成了對活體神經控制研究的系列突破。運用信息技術觀測人類大腦成為了腦科學研究的普遍范式。

可以說，人機混合是大勢所趨。將人引入智能系統(tǒng)并作為該系統(tǒng)的重要組成部分，可以解決以機器為中心的缺陷，有望充分融合機器智能和人類智能的優(yōu)點。

二、腦機智能的基本內涵及其應用前景

從字義解釋，腦機智能意味著“腦”和“機”形成循環(huán)，電腦從生物腦中讀取和解釋神經信號，即通過系統(tǒng)進行解釋、處理、再解釋、再處理，并通過外部信號重新輸入，以此來干預生物腦。以腦機接口為例，腦機智能加快從原來的人機接口轉為腦機接口的進程。人機接口指通過鍵盤、人類視覺以及其他行為來形成人和機器的接口，而腦機接口指通過植入式和非植入式方式將腦和計算機直接進行對接。因此，腦機接口提出了人機交互的新路徑、新方式和新手段，為腦機融合的智能形態(tài)提供了一個信息通道，形成了一個雙向的閉環(huán)回路和循環(huán)系統(tǒng)。

在紀念圖靈誕辰100周年時，Nature雜志曾發(fā)文指出，未來人工智能的一個重要發(fā)展方向就是腦機融合、協(xié)同工作，它是實現(xiàn)人工智能的一個重要途徑。我們認為，腦機融合的智能是代表著未來人工智能的新業(yè)態(tài)，有望成為兼容生物智能體的環(huán)境感知、認知機理、學習推理能力和機器智能體的信息整合、存儲計算能力的智能形態(tài)。基本內涵是從腦出發(fā)，采用人的信息處理方式構建一個虛擬腦，借助腦機交互實現(xiàn)生物腦、虛擬腦以及人機智能融合乃至一體化的過程。國內學術界和實務界普遍認同該內涵界定，如《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中的混合增強智能就來源于此，“腦科技計劃”將腦機智能作為五大發(fā)展板塊之一。

目前，用信息技術手段來連接生物腦的手段日益豐富，讓生物腦和計算腦相互融合成為可能。如在2020年，馬斯克的腦機接口公司Neuralink發(fā)布消息稱，可通過微創(chuàng)手術的方式，將微型可植入的神經芯片、超細的電極限植入豬腦，從而控制豬的行為。

腦機智能既代表著科學前沿，又形成了顛覆性技術的集聚效應。在腦機智能的發(fā)展過程中，往往在科學發(fā)現(xiàn)的同時，也伴隨著一系列前沿顛覆式技術的突破，如微細絲的電極、猶他陣列電極、記憶神經假體、神經擬態(tài)芯片、柔性多通道的信息獲取器件等。沒有這些顛覆性技術的出現(xiàn)，腦機智能的科學實驗、科學問題將不可能得以解決。

就腦機交互而言，腦機智能可以實現(xiàn)感知增強、認知增強和行為增強，即可以通過腦機智能的手段使得原來的智能形態(tài)在感知方面、認知方面和行為方面得到提升。如在猴子的溫度感知部分功能失效的情況下，可以通過腦機智能的方式對其進行重建，甚至可以進行認知重建、行為增強。

正是因為這些功效，腦機智能在人類健康等方面展現(xiàn)了廣闊的應用前景。如我國肢體殘疾人比例高，人口老齡化以及老年失能群體不斷增加，腦機智能可以提供全新技術，有望為千萬億級的殘疾人、老年失能者的神經康復、億級以上的神經/精神疾病患者進行精準腦機干預提供解決方案。

三、浙江大學腦機智能研究實踐

浙江大學開展腦機智能研究已有十幾年歷史，自2018年起實施了“雙腦計劃”，旨在從更新的角度來推動腦科學和人工智能的交叉研究。我們認為，人工智能未來的發(fā)展必然基于腦科學，同時腦科學的發(fā)展必須借助于信息科學，包括人工智能等方法和手段。因此，將這兩個學科群進行對接和交叉非常必要。從腦科學角度，可以從腦出發(fā)，結合一些科學實驗，探索腦的結構、功能、認知和意識等方面的進程。從人工智能角度，可以以數學邏輯控制為手段，完成這對腦科學研究更好的操作。

總體而言，浙江大學的腦機智能研究工作主要以腦神經科學為基礎，并同時開展相關關鍵技術的研究，包括觀測、調控、神經計算等技術和腦機平臺等。經過十幾年持之以恒的努力，浙江大學的腦機智能研究已經取得了一系列重要進展。

第一，形成了全球最齊全的腦機融合三大平臺。2013年，完成了國內首例臨床猴子大腦運動皮層解碼，呈現(xiàn)了勾、握、抓、捏等手勢。2014 年，完成了國內首例臨床病人頭顱皮層解碼石頭剪刀布。2020年初，完成了國內首次也是國際上首例高齡病人的腦機智能臨床實驗，以嵌入式的腦控機械來控制三維運動。從技術角度，該實驗主要是對感覺皮層M1和M4進行解碼，解碼后再通過Easy card完成。

第二，進行了開創(chuàng)性的大腦觀察工作。在國內首次在CT核磁共振上融合光、電、聲等六種形態(tài)，通過侵入式和非侵入式的方式，讀出腦的控制行為，這就意味著可以邊觀察、邊干預腦信號的變化。同時，可以在CT觀測的基礎上，借助光電成像、光電控制、電極陣列等技術，通過附加相應設備刺激腦，從中看到腦的變化。

第三，神經擬態(tài)計算機研制不斷取得突破。在2015年推出的達爾文第一代神經計算機的基礎上，推出了神經擬態(tài)芯片。在2019年，推出了達爾文二代，這款芯片可以同時模擬15萬個神經元。在2020年，研制了億級別神經元的神經擬態(tài)計算機——類腦計算機，神經元數能達到1.2億，突觸數量720億，神經芯片接近800顆，是國內國際神經元數量最多的一臺類腦計算機。

2012年，浙江大學做過一個實驗，通過將視覺攝像頭加載在大鼠身上，控制大鼠的行為。大鼠的胡須很敏感，但視覺很差，實驗中的大鼠可以通過攝像頭識別某個人或者路標，識別過程用機器完成，完成后信號傳到大鼠的運動皮層，驅動大鼠是否按照標志走。由此可見，通過視覺增強的手段，可以使大鼠的視覺能力得到較好的提升。這個工作也同樣可以推廣到更加復雜環(huán)境下的偵探、探索以及目標尋找。

同樣，浙江大學胡海嵐教授團隊做過一個實驗，采用光遺傳的方法將光電植入到一個小老鼠孔距的大腦皮層，使弱小的老鼠迅速鼓足勇氣，從而可以戰(zhàn)勝大老鼠。一般情況下，弱小老鼠在和大老鼠對峙過程中會比較膽怯，但將光電植入到小鼠的內側前額葉區(qū)的神經元（該神經元主要控制其情感），并點擊弱小老鼠的皮層，會發(fā)現(xiàn)小老鼠如同服了“大力神丸”一樣，勇氣倍增，瞬間就可以把大老鼠推過去。

此外，浙江大學還做了另一項探索，將老鼠的胡須、眼睛蒙起來，再通過電腦方式刺激它走迷宮。實驗發(fā)現(xiàn)，老鼠在電腦指導下走迷宮的方式，速度比一般的老鼠要快，這也表明了通過腦機融合的老鼠，可以表現(xiàn)出更快的學習速度。2016年12月，這個實驗登上了中央電視臺《挑戰(zhàn)不可能》直播現(xiàn)場，浙大的一個博士生戴上意念儀器控制大鼠（芯片已植入大腦），指導大鼠走迷宮、爬樓梯，最后成功地完成了預設任務。這是一個典型的通過人的意念，以無線的方式控制一個加載信號的大鼠的案例。從系統(tǒng)角度看，它可以走街道、橋梁、隧道等，體現(xiàn)腦腦之間的交互，也體現(xiàn)了人對場景的認知可以加載在大鼠的高級認知上。

從科學角度，腦機智能的基本原理是基于大腦的感認知功能和機器的計算智能單位。如何有效建立腦機器融合的計算框架和增強方法是學術界研究的主要問題，可以從三個層面來理解。

第一，體系結構問題。其不僅包括機器的體系結構，同時包括認知聯(lián)通腦方面的體系結構。

第二，信息交互問題。腦的信息交互方式和計算機的信息交互方式顯然不同，如關于信息交互的方式，在信息層面上有單向信息、雙向信息、回路信息等，在更高層面上還有增強方法等。

第三，學科交叉問題。腦機智能是一個多學科的問題，涉及神經科學、計算機科學、材料科學等。首先是腦的信息獲取，即如何實現(xiàn)高通量、實時性，多點位、穩(wěn)定的腦的信息讀?。黄浯问切滦偷牟牧现踩?，該材料一定是柔性的、生物兼容的，而且需要對電很敏感；最后是有很多腦信息的編碼，這里將用到很多數學知識，同時有回路干預解析技術、多腦區(qū)神經回路的精準解釋，以及融合、多模態(tài)的干預輸入等，這些都涉及到多學科問題。

四、對未來腦機智能發(fā)展的展望

人工智能推動人類進入了一個新時代。有學者稱之為人機物融合的時代，我們的理解是四元空間，即人工智能、云計算、大數據等顛覆性科技，將推動人與物理世界的二元空間加速轉向人、物理世界、智能機器、數字信息世界的四元空間。在交錯并行中，生產力和生產關系都將重構，社會形態(tài)與產業(yè)結構，以及人類思維方式、生活方式都會發(fā)生巨大變化。

無論我們是否承認，今后都會有許多具有某種智能形態(tài)的智能機器人出現(xiàn)，它們多多少少都會替代人類的體力勞動和腦力勞動。在這樣的背景下，腦機智能該如何發(fā)展？

我們認為，腦機智能有望在神經/精神疾病的診斷、治療、康復等臨床應用領域，引領新的技術發(fā)展。腦機信息交互手段將從原來的以電為主，走向電、光、磁、聲等各種手段的綜合。腦機融合的增強能力將逐步從行為增強到各種感知增強，乃至高級認知的增強。腦機智能技術研究的硬件將向柔性、無線，以及更加微小化、更加高通量和低功耗方向發(fā)展。

面向未來，腦機智能將為不同學科的交叉會聚提供更為成功范例，也將對其他不同學科的發(fā)展帶來了思路與方法上的啟示，展現(xiàn)了未來智能化生的廣闊空間，將推動人類加速邁向腦科學時代。

（本報告根據速記整理）

未來智能實驗室的主要工作包括：建立AI智能系統(tǒng)智商評測體系，開展世界人工智能智商評測；開展互聯(lián)網（城市）大腦研究計劃，構建互聯(lián)網（城市）大腦技術和企業(yè)圖譜，為提升企業(yè)，行業(yè)與城市的智能水平服務。每日推薦范圍未來科技發(fā)展趨勢的學習型文章。目前線上平臺已收藏上千篇精華前沿科技文章和報告。

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