人類即將迎來了解大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)神秘世界的曙光！
哈佛大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家和谷歌工程師，發(fā)布了第一張人類大腦部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接圖，大約針頭大小的人類大腦組織用重金屬染色，切成 5,000，并在電子顯微鏡下成像。雖然這立方毫米的組織僅占整個(gè)人類大腦的百萬分之一。但是，描繪它的神經(jīng)細(xì)胞、血管等大量數(shù)據(jù)量達(dá)到1.4 PB（計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單位1.4 PB=1024TB）。
神經(jīng)元被涂上了不同的顏色來區(qū)分連接
科研人員繪制的人類大腦皮層3D結(jié)構(gòu)
科研人員采用了5中顏色區(qū)分不同的突觸
雖然僅僅是繪制了很小一部分大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于神經(jīng)醫(yī)學(xué)的科研人員來說，“這就像發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新大陸”，對(duì)于人類生命科學(xué)的進(jìn)步也將意義非凡！
科研人員一直致力創(chuàng)建和研究一個(gè)完整的或部分大腦內(nèi)所有神經(jīng)連接的綜合圖。因?yàn)椋竽X物質(zhì)相關(guān)的所有神經(jīng)活動(dòng)都是通過神經(jīng)連接完成的，它是了解人類如何思考、感覺、移動(dòng)、記憶、感知等的關(guān)鍵核心。
神經(jīng)連接映射
神經(jīng)連接
人類有史以來創(chuàng)建的最詳細(xì)和復(fù)雜的神經(jīng)連接，這僅僅由一立方毫米的人類大腦皮層編譯。
一、揭示人類復(fù)雜性的奧秘。
人類大腦共有 860 億個(gè)神經(jīng)元：690 億個(gè)小腦，小腦是大腦后部的一個(gè)致密塊，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)基本的身體功能和運(yùn)動(dòng)；160 億在大腦皮層，負(fù)責(zé)我們最復(fù)雜的智力和才能，例如自我意識(shí)、語言、解決問題和抽象思維；另外10 億在腦干及其延伸到大腦核心的部分。
人類大腦的每一個(gè)神經(jīng)元都與其他神經(jīng)元之間會(huì)有數(shù)十個(gè)至上千的連接，但并非每個(gè)連接都是重要的，因?yàn)樵谶@個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元與其他神經(jīng)元建立了數(shù)千個(gè)連接通常具有重疊替代功能。例如，這就是為什么有些人中風(fēng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)以千計(jì)的神經(jīng)元消失而不會(huì)失去記憶。
人類大腦的神經(jīng)元連接結(jié)構(gòu)如此復(fù)雜， 860 億個(gè)神經(jīng)元，每一個(gè)神經(jīng)元都與其他神經(jīng)元之間會(huì)有數(shù)十個(gè)至上千的連接，甚至于神經(jīng)元的連接也有可能拓展至量子領(lǐng)域，計(jì)算這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性已經(jīng)不亞于天文學(xué)和量子力學(xué)的計(jì)算量，這也是人類大腦可以用無數(shù)種方式做事的根本原因。
但是，理論上人類的行為在生物學(xué)上是可以預(yù)測(cè)的，雖然還有很長(zhǎng)的路要走。宏觀與微觀在本質(zhì)上能否統(tǒng)一，對(duì)科學(xué)家而言，解析更復(fù)雜的大腦看似無限的互聯(lián)是一項(xiàng)極其宏偉的挑戰(zhàn)，考驗(yàn)著人類和人工智能的極限。
二、揭示人類智能與其他生物的本質(zhì)區(qū)別。
大象大腦的大小是人類的三倍，大象的小腦中有2510億個(gè)神經(jīng)元，負(fù)責(zé)管理巨大的軀干，而皮質(zhì)層中僅有56億個(gè)，不足人類三分之一。靈長(zhǎng)類動(dòng)物可以將比其他哺乳動(dòng)物將更多的神經(jīng)元裝入大腦皮層，例如與大象和鯨魚相比，類人猿大腦很小，但它們的皮質(zhì)卻要密集得多，猩猩和大猩猩有90億個(gè)皮質(zhì)神經(jīng)元，黑猩猩有60億個(gè)。
人類的大腦在皮質(zhì)層中擁有 160 億個(gè)神經(jīng)元，遠(yuǎn)比地球上任何其他物種都要多。這是人類和非人類大腦之間最明顯的區(qū)別。大腦的智能程度與大腦架構(gòu)有關(guān)，而不僅僅是重量和大小。
人類的大腦比大象或鯨魚的大腦小得多。但是，人類大腦皮層中的神經(jīng)元比任何其他動(dòng)物的皮層中都多得多。
人類大腦的獨(dú)特之處還在于其無與倫比的貪食。雖然它只占體重的 2%，但人腦在休息時(shí)消耗了身體總能量的 20%，而且人類以大腦為中心的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)基因在人類腦組織中的活性是黑猩猩大腦中的 3.2 倍。相比之下，黑猩猩的大腦只需要人類大腦消耗能量的一半。
除此之外，人類的大腦在不斷地進(jìn)化激增，盡管擴(kuò)張的機(jī)制長(zhǎng)期以來一直是個(gè)謎，但是來自解剖學(xué)的證據(jù)卻毋庸置疑！人類大腦進(jìn)化的激增是我們與其他動(dòng)物相比異常高智商的關(guān)鍵原因。
三、對(duì)人類大腦的映射將促進(jìn)人工智能的再次飛躍。
覆蓋大腦表面的錯(cuò)綜復(fù)雜的褶皺形成了大腦皮層，這是一塊比薩餅大小的組織。它是人類大腦的中央處理器。這張大約三毫米厚的皮層薄片由一系列重復(fù)的模塊或微電路組成，類似于計(jì)算機(jī)芯片中的邏輯門陣列。每個(gè)模塊大約 100000 個(gè)神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元排列在復(fù)雜的互聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。不同大腦區(qū)域的模塊專門用于視覺、運(yùn)動(dòng)或聽覺等特定目的。
新技術(shù)的突破使研究人員能夠分析大腦模塊內(nèi)的神經(jīng)元如何相互作用，雖然還僅限于小范圍的應(yīng)用。但這是人類歷史上第一次，能力詢問大腦的模塊，而不僅僅是猜測(cè)。
神經(jīng)元結(jié)構(gòu)
雖然人工智能并不是一個(gè)新想法，但是目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接規(guī)則幾乎肯定與大腦采用的規(guī)則不同。當(dāng)今的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由前饋架構(gòu)組成，其中信息通過一系列層級(jí)從輸入流向輸出。每一層都經(jīng)過訓(xùn)練以識(shí)別某些特征，例如眼睛或胡須。然后該分析被前饋，每個(gè)連續(xù)層對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行越來越復(fù)雜的計(jì)算。
但是這種前饋結(jié)構(gòu)忽略了生物系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分：反饋，無論是在單個(gè)層內(nèi)還是從高階層到低階層。在真正的大腦中，皮層的神經(jīng)元與其相鄰層的神經(jīng)元相連，形成了一個(gè)極其復(fù)雜的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)。反饋與前饋的神經(jīng)連接一樣多，是人類大腦皮層網(wǎng)絡(luò)一個(gè)非常重要的功能。
雖然，目前神經(jīng)科學(xué)家還不能準(zhǔn)確地理解這些反饋回路在做什么，但是反饋電路有才能賦予機(jī)器我們認(rèn)為人類獨(dú)有的特征---意識(shí)?。?/span>
當(dāng)前最重要的是需要對(duì)神經(jīng)元和連接活動(dòng)進(jìn)行大規(guī)模映射，但這項(xiàng)任務(wù)極具挑戰(zhàn)。僅從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上來說—每立方體毫米大小的腦部組織神經(jīng)結(jié)構(gòu)需要計(jì)算機(jī)1-2PB的數(shù)據(jù)。然而最大的挑戰(zhàn)是：從算法上弄清楚這些神經(jīng)元之間連接的規(guī)則以及連接所代表的含義。
但是一旦該項(xiàng)工作被人類攻克，那將會(huì)是生命科學(xué)顛覆性成果，雖然科學(xué)的穆朗瑪峰難以逾越，但是僅需一次就夠了。
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