| 上海紐約大學(xué)副校長(zhǎng)：腦科學(xué)需要自己的牛頓 |
腦科學(xué)需要自己的牛頓：建議創(chuàng)建理論和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)平臺(tái)
（汪小京 上海紐約大學(xué)，2015年11月21日）
(作者，上海紐約大學(xué)副校長(zhǎng)、紐約大學(xué)神經(jīng)科學(xué)教授，原耶魯大學(xué)神經(jīng)科學(xué)終身教授。)
今天，在全球范圍，類腦智能和腦技術(shù)（BrainTech）的發(fā)展都得到了政府和企業(yè)的高度重視。類腦技術(shù)大致分為四個(gè)方面：
（1）硬件設(shè)計(jì)創(chuàng)新。也就是從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究里得到啟發(fā)，發(fā)展新型芯片，比如IBM去年公布的TrueNorth芯片。
（2）開發(fā)智能機(jī)器人。比如美國的Boston Dynamics公司，中國的小i機(jī)器人公司都在從事這一類的研發(fā)。
（3）腦－機(jī)接口技術(shù)，即記錄、解讀腦的電信號(hào)，通過腦的信號(hào)來控制機(jī)器。這類技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值很高，有望在將來服務(wù)于癱瘓的病人，讓他們用思維來指揮機(jī)器人。
（4）發(fā)展“類腦智能”軟件。這與大數(shù)據(jù)緊密相連，最引人注目的莫過于“深度學(xué)習(xí)”方向。在美國，微軟有“深度學(xué)習(xí)研究中心”；IBM有 “認(rèn)知計(jì)算”的計(jì)劃；谷歌有DeepMind和Machine Intelligence。 DeepMind是計(jì)算神經(jīng)科學(xué)出身的年輕人創(chuàng)辦的公司，成立幾年后被谷歌花4億美元收購，至今已擁有150多位博士，而Machine Intelligence是谷歌最近新建的研究中心。從這些例子可以看出深度學(xué)習(xí)這一領(lǐng)域炙手可熱，發(fā)展前景非常好。
然而，跨越式的技術(shù)創(chuàng)新需要堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。就拿現(xiàn)在最熱門的深度學(xué)習(xí)來說，其理論來源于90年代的研究突破。神經(jīng)科學(xué)對(duì)大腦視覺系統(tǒng)的研究，使研究者更理解相應(yīng)的深度網(wǎng)絡(luò)，能夠建立數(shù)學(xué)模型，再有Geoff Hinton, Yann LeCun 等人發(fā)展的訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的方法，才有了今天的深度學(xué)習(xí)框架。近10多年來計(jì)算機(jī)（尤其是GPU）和大數(shù)據(jù)庫的發(fā)展，才帶來了深度學(xué)習(xí)的突飛猛進(jìn)。由此可見，從實(shí)驗(yàn)神經(jīng)生物學(xué)到人工智能，需要用數(shù)學(xué)模型來建立一座橋梁， 計(jì)算神經(jīng)科學(xué)就是這座橋梁。
此外，計(jì)算神經(jīng)科學(xué)不僅僅是一座橋梁，它還扮演著理論先導(dǎo)的角色，所以計(jì)算神經(jīng)科學(xué)也叫理論神經(jīng)科學(xué)。我們知道，腦科學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)日新月異，使我們不斷收集到新的、海量的數(shù)據(jù)。那么面對(duì)這些數(shù)據(jù)，怎樣才能有所發(fā)現(xiàn)呢？這就需要發(fā)展基本理論，計(jì)算神經(jīng)科學(xué)與實(shí)驗(yàn)的方法相結(jié)合，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚?、模型建造、統(tǒng)計(jì)分析，來研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大腦功能。這可以類比物理學(xué)的發(fā)展：到牛頓才發(fā)展出經(jīng)典物理學(xué)的基本原理，比如力學(xué)三大定律，用這些基本原理可以指導(dǎo)無數(shù)的實(shí)驗(yàn)、解釋無數(shù)的數(shù)據(jù)，而且可以預(yù)測(cè)自然現(xiàn)象。經(jīng)典物理學(xué)也是我們現(xiàn)代工程的基礎(chǔ)，使我們能夠創(chuàng)造像人類登月的奇跡。我認(rèn)為，神經(jīng)科學(xué)應(yīng)用于人工智能也是類似的過程。也就是說， 發(fā)展腦科學(xué)的理論，是發(fā)展人工智能的基礎(chǔ)。而基礎(chǔ)研究有賴于我們的遠(yuǎn)見卓識(shí)和長(zhǎng)期堅(jiān)持。這正是為什么，腦科學(xué)需要自己的牛頓。對(duì)比物理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)，在美國，研究神經(jīng)科學(xué)的與研究物理學(xué)的人一樣多，而在我國，神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展規(guī)模遠(yuǎn)不如物理學(xué)。
神經(jīng)科學(xué)是21世紀(jì)的前沿科學(xué)，我們應(yīng)當(dāng)盡快發(fā)展這個(gè)領(lǐng)域，躋身世界前列。這是我國作為發(fā)展中的強(qiáng)國應(yīng)該做的，也是每個(gè)向世界一流大學(xué)看齊的院校應(yīng)該考慮的。從策略上講，哪些新方向是重要的？哪些是我們的長(zhǎng)處？我個(gè)人認(rèn)為，認(rèn)知功能的腦機(jī)制是一個(gè)值得重視的研究方向，而且應(yīng)當(dāng)將計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來發(fā)展。2013年，美國推出腦計(jì)劃，確定了七個(gè)研究方向，其中之一就是理論與實(shí)驗(yàn)的整合。腦計(jì)劃的白皮書里有這樣一段話：“ 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摗⒛Ｐ徒ㄔ?、統(tǒng)計(jì)分析，能使我們深入了解復(fù)雜的、非線性的大腦功能，這是僅憑直覺無法做到的。為了推動(dòng)理論和數(shù)據(jù)分析的發(fā)展，我們必須吸引統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、工程以及信息科學(xué)等領(lǐng)域的專家，加強(qiáng)多學(xué)科的實(shí)驗(yàn)家和理論家的合作。” 我們研究大腦，希望理解腦功能的基因機(jī)制、神經(jīng)元和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的機(jī)制。為了達(dá)到這個(gè)目的，必須要了解神經(jīng)元放電的模式，弄清楚神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)是怎樣完成計(jì)算、怎樣控制我們的行為，再弄清神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)，以及它的可塑性機(jī)制。因?yàn)榇竽X是有很多層級(jí)和反饋連接的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，這個(gè)探索的過程就需要數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合， 我們大腦里的神經(jīng)聯(lián)結(jié)如果加起來，大概有10萬英里長(zhǎng)，差不多地球到月亮的一半距離，其中80%以上的連接是反饋聯(lián)結(jié)，這么復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，光用實(shí)驗(yàn)和直覺來認(rèn)識(shí)是不可能的，還需要理論和數(shù)學(xué)。伽利略曾說“自然之書是用數(shù)學(xué)語言寫就的”。人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是大自然的一部分，它的行為也應(yīng)用數(shù)學(xué)語言來描述和揭示。
腦的反饋聯(lián)結(jié)對(duì)理解高級(jí)認(rèn)知功能尤其重要。比如，思維主要不是由外界的刺激來引起的，而是你自己腦內(nèi)神經(jīng)與神經(jīng)之間通過反饋聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)的“回蕩網(wǎng)絡(luò)”而形成的。最典型的“認(rèn)知型”腦區(qū)是前額葉皮層，也就是大腦皮層的最前面這一區(qū)域。在生物演變過程中，前額葉皮層是最晚才發(fā)展出來的，它在人腦皮層中占相當(dāng)大一部分，可是在狗或貓的大腦里面，相對(duì)來說卻只占很小一部分。前額葉皮層是干什么的？有什么用？直到上世紀(jì)40年代末，這還是一個(gè)迷。如果某個(gè)人有精神病或者不能控制自己的行為，當(dāng)時(shí)普遍的醫(yī)學(xué)“處理”方法是前腦額葉白質(zhì)切除術(shù)，就是切除前額葉。美國總統(tǒng)肯尼迪的一個(gè)胞妹就被迫做了此手術(shù)。直到近年，關(guān)于前額葉的研究才真正發(fā)展起來，相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)最近20年來迅速增長(zhǎng)。今天，我們知道前額葉皮層對(duì)很多認(rèn)知功能都很重要，將它稱為大腦的“CEO”。我本人在90年代初開始對(duì)這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生興趣，在90年代中期建立了第一個(gè)前額葉皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。20多年來，我們一直都在和其他科學(xué)家們一起研究前額葉皮層和認(rèn)知功能。很多研究人腦功能成像的實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物行為和電生理的實(shí)驗(yàn)所收集到的數(shù)據(jù)，加上我們的計(jì)算模型，使人們開始逐漸了解各種高級(jí)認(rèn)知功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，例如選擇、工作記憶、選擇性注意、執(zhí)行控制、價(jià)值判斷和經(jīng)濟(jì)決策等人腦的高級(jí)功能。值得一提的是，精神病人正是前額葉皮層及其它有關(guān)的腦區(qū)出現(xiàn)了問題。高級(jí)認(rèn)知功能出現(xiàn)異常不是因?yàn)檠劬?、耳朵的問題，而是因?yàn)榍邦~葉皮層和其他“認(rèn)知型”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)出了問題。因此，如果人們真正對(duì)前額葉皮層及其它有關(guān)的腦系統(tǒng)了解透徹了，特別是對(duì)分子層面、網(wǎng)絡(luò)層面、功能層面都能真正了解的話，我們就有可能找到更好的診斷、治療精神疾病的方法，為發(fā)展現(xiàn)代的精神醫(yī)學(xué)奠定理論基礎(chǔ)，為社會(huì)和人類作出貢獻(xiàn)。因此，近年來出現(xiàn)了一個(gè)精神病學(xué)與神經(jīng)科學(xué)的新的交叉領(lǐng)域，叫“計(jì)算精神病學(xué)”。
因此，高級(jí)認(rèn)知功能的腦機(jī)制是神經(jīng)科學(xué)前沿方向之一。另外，迄今為止，實(shí)驗(yàn)和理論都局限于考慮微神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或局部的腦區(qū)。 現(xiàn)在有一個(gè)很大的新挑戰(zhàn)——不光是我自己的團(tuán)隊(duì)，也是整個(gè)領(lǐng)域都面臨的挑戰(zhàn)——研究怎樣將局部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推廣到涵蓋全腦皮層的大規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究認(rèn)知的“構(gòu)建模塊”（building block）是怎樣拼在一起，從而產(chǎn)生人的思想和行為。 最近幾年，新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生，如大腦的連接網(wǎng)絡(luò)、功能成像的數(shù)據(jù)，再加上計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使我們有可能建構(gòu)大規(guī)模的腦系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。我的研究團(tuán)隊(duì)近年來建構(gòu)了一個(gè)靈長(zhǎng)類動(dòng)物的大規(guī)模皮層系統(tǒng)的模型， 該研究成果近期剛剛發(fā)表。 此大規(guī)模模型是由很多互相聯(lián)通的腦區(qū)組成的，會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生自組織現(xiàn)象，即一個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度的層次結(jié)構(gòu)。如果給初始的感覺區(qū)一個(gè)刺激，它的反應(yīng)很快，時(shí)間尺度在20微秒， 適于很快地接收處理外界來的信號(hào)。其它不同腦區(qū)反應(yīng)的時(shí)間尺度不一樣，尤其“認(rèn)知型”的腦區(qū)具有相當(dāng)慢（至少有幾秒鐘）的動(dòng)態(tài)，正好適于抉擇、思維。也就是說這個(gè)系統(tǒng)自然地產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度的層次結(jié)構(gòu)，這是腦區(qū)和腦區(qū)之間的反饋連接形成的。為什么這個(gè)結(jié)果有意思呢？因?yàn)槟X對(duì)信息的處理需要在很多時(shí)間尺度上整合。比如，我們交談時(shí)，要理解你說的話，我的大腦要能夠識(shí)別你的語音， 這時(shí)理解每個(gè)字只需要非常短的時(shí)間；但理解字和字之間的關(guān)系以及理解一個(gè)句子的意思，則需要的時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)；理解句子和句子連起來的一段話的意思，就需要更長(zhǎng)的時(shí)間。這就是不同時(shí)間尺度的整合。我們的新模型發(fā)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度的層次結(jié)構(gòu)怎么發(fā)生的，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制是什么。這一類的新發(fā)現(xiàn)是根基性的，可望給人工智能帶來新的啟示。
若社會(huì)意識(shí)到腦科學(xué)的重要，不僅政府應(yīng)支持，企業(yè)、個(gè)人也應(yīng)對(duì)其發(fā)展作貢獻(xiàn)。
美國的腦計(jì)劃，企業(yè)和個(gè)人慈善項(xiàng)目的支持十分可觀。上面提到了工業(yè)界的IBM、谷歌、微軟。個(gè)人方面，微軟創(chuàng)始人之一保羅·阿倫（Paul Allen）已從私人的財(cái)富中拿出十億美元來支持腦科學(xué)的基礎(chǔ)研究。全球收入最高的對(duì)沖基金經(jīng)理詹姆斯·西蒙斯（James Simons）的慈善項(xiàng)目重點(diǎn)也在腦科學(xué)。今年年初，百度公司董事長(zhǎng)李彥宏在兩會(huì)上提出“中國大腦”提案，希望以此“帶動(dòng)整個(gè)民族創(chuàng)新能力的提升”。百度等公司應(yīng)該與學(xué)術(shù)界聯(lián)手發(fā)展神經(jīng)科學(xué)和應(yīng)用，共同實(shí)現(xiàn)中國的腦計(jì)劃。
最后我講一下這個(gè)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)。我們中國的國情非常適合發(fā)展這么一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，因?yàn)閿?shù)理化領(lǐng)域有大批杰出的年輕人，是理論和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的生力軍。但幫助他們進(jìn)入這一領(lǐng)域需要新的體系方式。在美國，理論和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)起源于二十年多前。Sloan基金會(huì)于1994年創(chuàng)建五個(gè)理論神經(jīng)科學(xué)中心，后來發(fā)展成十多個(gè)Sloan－Swartz 中心，本人在其中三個(gè)（布蘭迪斯、耶魯、紐約大學(xué)）中心作過主任。二十多年來，這些中心吸引了很多物理、數(shù)學(xué)、工程等領(lǐng)域的年輕人，把他們培養(yǎng)成計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的精英。歐洲、以色列也采用了這個(gè)模式?，F(xiàn)在中國正在討論自己的腦計(jì)劃，我呼吁我們一定看準(zhǔn)我國在這方面的人才潛力、不要錯(cuò)失良機(jī)、努力建立中國的理論和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)平臺(tái)。培訓(xùn)跨學(xué)科的年輕人才應(yīng)采用不同
方式。舉例來說，我們從2010年開始在國內(nèi)開辦計(jì)算認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的高級(jí)暑期班，重點(diǎn)是認(rèn)知和計(jì)算，這5年來已經(jīng)培養(yǎng)了一批年輕人，激發(fā)了他們濃厚的興趣和學(xué)術(shù)熱情。這方面我們需要政府和私人基金給予支持，真正吸引年輕人進(jìn)入我們這個(gè)領(lǐng)域。
我小結(jié)一下前面講的幾點(diǎn)。第一，展望未來，人類對(duì)認(rèn)知功能的機(jī)制理解得還不夠，這是一個(gè)新的領(lǐng)域。我們一定要在認(rèn)知功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制方面下功夫，同時(shí)發(fā)展更好的學(xué)習(xí)方法，這個(gè)不僅對(duì)腦科學(xué)本身有重大意義，能讓我們深刻理解基本認(rèn)知功能的腦機(jī)制，而且能直接影響到人工智能的發(fā)展。同時(shí)，這方面的基礎(chǔ)研究還會(huì)對(duì)精神病學(xué)產(chǎn)生革命性的影響。
第二，當(dāng)今時(shí)代，是大規(guī)模腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論和建模的黃金時(shí)代。 我們?nèi)钡牟皇怯?jì)算能力，而是一些新的想法、新的假設(shè)，真正要做出革命性研究成果的的決心。
第三，研究大腦的難點(diǎn)之一是跨層次研究。從人的行為和大腦的功能、到網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制，再下到細(xì)胞、分子和基因，我們要跨越這幾個(gè)層次來進(jìn)行分析，這方面缺乏很好的數(shù)學(xué)手段。針對(duì)這一點(diǎn)，我們可以和數(shù)學(xué)家聯(lián)合起來，發(fā)展跨層次的數(shù)學(xué)分析方法。
第四， 要采用多元化的方法，來吸引和培養(yǎng)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)和人工智能領(lǐng)域的年輕人才。
最后，我們應(yīng)該大力發(fā)展國際合作，包括海量數(shù)據(jù)的共享、跨學(xué)科的研究、人才的培養(yǎng)等方面。
基礎(chǔ)研究與技術(shù)應(yīng)用是相輔相成的。應(yīng)用的需求可以促進(jìn)基礎(chǔ)研究，而基礎(chǔ)研究的突破又可以大幅推進(jìn)工業(yè)、社會(huì)發(fā)展。今年是愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論100周年，回到1915年時(shí)，誰能想到廣義相對(duì)論這么抽象的理論，會(huì)有一天用于建立人們?nèi)粘ｋx不開的GPS 精確導(dǎo)航系統(tǒng)？我們發(fā)展人工智能，就應(yīng)該扶持理論和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)，使之成為21世紀(jì)中國優(yōu)先發(fā)展的研究領(lǐng)域。
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