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世界脑计划研究报告暨互联网大脑计划建议

已有 7301 次阅读 2015-12-2 23:20 |个人分类:互联网神经学|系统分类:科研笔记|关键词:脑计划,,互联网,,,互联网大脑计划| 互联网, 脑计划, 互联网大脑计划

(本文是对2015年11月9日开始撰写的6篇互联网大脑计划系列文章的整理合并)

一.前言

大脑是人体中最复杂的部分,也是宇宙中已知的最复杂的组织结构。多年来,人类对脑奥秘的探究从未停止。21世纪被称为“生命科学、脑科学的百年”或“脑研究世纪”。本世以来,世界各国纷纷开展新的脑计划, 2005年,瑞士科学家启动蓝脑计划,20134月,美国宣布启动“脑计划”路线图,2013年,欧盟委员会宣布将“人脑工程”列入“未来新兴技术旗舰计划”。此外,日本、德国、英国、瑞士等国也都先后推出本国的脑科学研究计划。


在我国,脑科学研究已被列为“事关我国未来发展的重大科技项目”之一,上海市政府已将脑科学列为市重大科技项目,20153月上海成立“脑科学协同创新中心”,推进脑科学研究和转化应用,201591,北京市科委召开的脑科学研究专项工作启动会,宣布北京市重点开展脑科学的研究工作。


虽然当前各国脑计划如火如荼开展,但质疑的声音也日益强烈。2014年,200多名神经学领域科学家宣称将要抵制欧盟的人脑计划,这其中最主要的问题是脑科学研究两个方向中,还原论方向发达,整体论方向欠缺,导致脑科学研究只见树叶不见森林的困境一直无法得到突破。正如美国哥伦比亚大学神经学家拉斐尔·尤斯特所说:这是因为缺少一个脑科学的统一框架。


上世纪诞生的互联网对人类社会的影响越来越大,种种迹象表明互联网与脑科学具有紧密的关系。从2005年开始,相关研究提出“互联网将向着与人类大脑高度相似的方向进化,互联网将具备自己的视觉、听觉、触觉、运动神经系统,也会拥有自己的记忆神经系统、中枢神经系统、自主神经系统。另一方面,人脑至少在数万年以前就已经进化出所有的互联网功能,不断发展的互联网将帮助神经学科学家揭开大脑的秘密。“

虽然美国等发达国家在脑科学某些领域已经走在前面,但在新世纪新的科技背景下,互联网,人工智能与脑科学领域的结合,中国完全有可能通过另辟蹊径,实现弯道超车,不但在脑科学领域,在互联网领域,人工智能领域,科技哲学领域,进化论领域,中国传统文化与新科技接合,等方面都可以得到深入研究并取得相关成果。


因此,我们建议互联网大脑计划,其特点可以归纳为:“三个支点,两个目标,一个基础三个支点是以互联网,人工智能,脑科学三个领域作为支点进行跨学科交叉研究。两个目标1利用脑科学已有的研究成果预测互联网和人工智能未来发展趋势;2)利用互联网作为研究大脑的参照系,为揭开神经学科学难题建立一条新的科学路径;一个基础是以形成中国原创互联网神经学学科作为未来大脑计划的基础目标。

在具体实施路径上,我们建议充分利用互联网网络社群讨论,智力众包,网络新媒体科技论传播等科研创新模式,以青年科学家为主要攻坚力量,面向世界科研人员建立”互联网大脑计划云研究平台,力争用510年时间,使得中国科学在互联网,脑科学,人工智能交叉领域占领科学制高点。


二、世界各国大脑计划现状综述



在自然科学领域,大脑之谜是和宇宙之谜等量齐观的科学难题。自从有历史记录以来,无论是东方还是西方,大脑和神志(mind)的关系就一直被人类关注和思索。人类对脑的认识从不断的观察、思考、辩论、试错、纠正中得到提高,最后演变成现代的神经科学。

经过数千年研究和发展,到21世纪,一个具有无限生命力的神经科学形成了,它囊括许多有关学科,包括神经生理学、神经解剖学、神经组织学与组织化学、神经超显微结构学、神经化学、神经免疫学、神经病学、精神病学、脑肿瘤学、脑诊断学以及神经行为学和生理心理学等等。神经科学已成为当代科学发展的最前沿,新技术,新发现层出不穷,日新月异。随着20世纪新技术的出现,特别是计算机,信息学,人工智能的出现,脑科学研究也正在出现新的研究浪潮。

2005年,瑞士洛桑理工学院的科学家亨利•马卡兰提出蓝脑计划,希望在2015年制造出“人造大脑”,以达到治疗阿尔茨海默氏症和帕金森氏症的目的。他的想法是“拆除之后再重建”哺乳类动物的大脑,计划将分为几个阶段2008年先用啮齿动物做实验,2011年后将试图组装一个猫的大脑,在2015年正式组装人类大脑之前可能还会制造猕猴的大脑。

2013年4月,美国宣布启动“脑计划”;2014年6月,美国国立卫生研究院发布“脑计划”路线图,详细阐述了脑科学计划的研究目标、重点领域、实施方案、具体成果、时间与经费估算等,提出将重点资助9个大脑研究领域:统计大脑细胞类型,建立大脑结构图,开发大规模神经网络记录技术,开发操作神经回路的工具,了解神经细胞与个体行为之间的联系,整合神经科学实验与理论、模型、统计学等,描述人类大脑成像技术的机制,为科学研究建立收集人类数据的机制,知识传播与培训。2014年8月,美国国家科学基金会宣布,将资助36项脑科学相关项目,涉及实时全脑成像、新的神经网络理论以及下一代光遗传学技术等。美国国防高级研究计划局(DARPA)近年来启动了数十项旨在提高对大脑动态和机制的了解、推进相关技术应用的项目,包括可靠神经接口技术项目、革命性假肢、恢复编码存储器集成神经装置、重组和加速伤势恢复项目、将模拟大脑用于复杂信号处理和数据分析项目等。

2013年,欧盟委员会宣布将“人脑工程”列入“未来新兴技术旗舰计划”,力图集合多方力量,为基于信息通信技术的新型脑研究模式奠定基础,加速脑科学研究成果转化。该计划被认为是目前世界最先进的脑科学大型研究计划,由瑞士洛桑理工学院统筹协调,欧盟130家有关科研机构组成,预算12亿欧元,预期研究期限10年,旨在深入研究和理解人类大脑的运作机理,在大量科研数据和知识积累的基础上,开发出新的前沿医学和信息技术。该计划首先利用30个月的时间,建设涉及神经信息学、大脑模拟、高性能计算、医学信息学、神经形态计算和神经机器人等6座大型试验与科研基础设施。这些设施将对全球科技人员开放,邀请世界顶尖科学家参与研究。

日本大脑研究计划Brain/MINDS (Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies)主要是通过对狨猴大脑的研究来加快人类大脑疾病,如老年性痴呆和精神分裂症的研究。9月11日,日本科学省宣布了大脑研究计划的首席科学家和组织模式。 日本大脑研究计划第一年将投入30亿日元(2700万美元),第二年可能增加到40亿日元,相对于美国和欧洲的10亿美元以上规模大脑研究计划,日本的计划就好象是小弟弟。但是,日本的大脑研究计划主要利用狨猴这种更接近人类的灵长类动物,能弥补用鼠类研究经常不同于人类的缺陷,尤其是在疾病研究方面。

另一方面世界级互联网企业也推出自己的人工智能大脑计划,2011年以来,GoogleX实验室实施了“谷歌大脑”工程,通过1.6万片CPU核构建了一个庞大的系统,用于模拟人类的大脑神经网络,通过深度学习等神经网络技术和观看YouTube视频等方式,不断学习识别人脸、猫脸以及其他事物。

2014开始,包括百度,讯飞,爱奇艺,也推出各自的人工智能脑计划,希望利用深度学习与大数据结合发展互联网中的人工智能应用。

2014年5月,百度宣布引进前“谷歌大脑之父”吴恩达,任命其为百度首席科学家,全面负责“百度大脑”计划。“百度大脑”将融合“深度学习”算法、数据建模、大规模GPU并行化平台等技术。李彦宏对外披露,如果继续发展十年、二十年,这样一个大脑很有可能就会比人脑还要聪明。而将来有一天,也许技术会发展到可以把一个芯片移植到人脑中,“你想知道什么的时候你不需要动作也不需要动手,当你想到的时候它就可以告诉你,展现给你,在你的脑子里就已经呈现了。


 科大讯飞在2014年8月20日召开的的智能家庭产品发布会上宣布启动“讯飞超脑”计划,董事长刘庆峰表示,在实现了让机器能听会说之后,科大讯飞的梦想升级成了让机器能理解会思考。“讯飞超脑计划”目标就是要实现一个真正的中文的认知智能计算引擎。并且,它的知识不是人类灌输的,而是自己通过不断学习获得的。目前,“讯飞超脑计划”也已经拥有了一支包括加拿大约克大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中国科学技术大学等高校专家在内的研发队伍。


2014年6月,爱奇艺在全球范围内率先建立起首个基于视频数据理解人类行为的视频大脑——爱奇艺大脑,围绕视频的整个生命周期进行多维度的数据存储、分析、挖掘,让机器能够理解视频的内容,帮助人们制作,生产,运营,消费视频。爱奇艺大脑正在通过对视频的认知,显著提升视频特效制作水准、运营效率,满足用户多元化服务的需要,同时丰富视频行业的变现途径,推动整个视频行业健康发展。


  就目前公开的资料来看,虽然同为开发人工智能,但“谷歌大脑”、“百度大脑”、“讯飞超脑”的侧重点也略有不同,谷歌大脑和百度大脑包括内容较多,成果将重点应用于搜索引擎,提高搜索引擎在智能程度和准确度,比如未来能够用图片搜图片或是用图片搜信息等。“讯飞超脑”则更加聚焦于面向中文的知识处理、信息服务和人机交互,一旦突破,有望能带动信息服务等各个涉及认知智能领域的信息服务系统实现飞跃。

2015年11月5日,京东宣布启动"京东大脑计划",京东集团研发部研发总监杨光信这样总结:“基于京东在用户、商品、和运营等方面长期积累的高质量数据,利用人工智能的方法和技术,深入、准确地理解电商运营中的各类实体、环节、及它们之间的相互联系,缩短用户与商品、商品与商家之间的距离,为用户和商家提供更为个性化的服务,同时不断提高电商平台自身的运营效率,以达到最佳的用户体验。”遵循着这样的目标,大脑计划旨在进一步提升京东在机器学习、数据挖掘、高性能计算、实时计算等方面的技术实力,实现京东大数据价值的充分发挥。

在中国,脑科学研究已被列为“事关我国未来发展的重大科技项目”之一,上海市政府已将脑科学列为市重大科技项目,2015年3月,复旦大学牵头联合浙江大学、华中科技大学、同济大学、上海交通大学等十几所高校及中科院研究所,成立“脑科学协同创新中心”,推进脑科学研究和转化应用,2015年9月1日 ,北京市科委召开的“脑科学研究”专项工作启动会宣布北京市将从脑认知和脑医学、脑认知与类脑计算两个方向重点开展脑科学的研究工作。

部分中国科学家建议中国脑计划应该从从认识脑、保护脑和模拟脑三个方向展开研究,逐步形成以脑认知原理的基础研究、脑重大疾病、类脑人工智能这三方面紧密交织的研究为“一体”“两翼”的研究格局。


三、欧美大脑计划存在的问题和忽视的一个重要元素


3.1.欧美脑计划存在的问题


在欧美脑计划引起巨大反响的同时,质疑的声音也不断产生,“这是因为缺少一个脑科学的统一框架。”美国哥伦比亚大学神经学家拉斐尔•尤斯特说,科学家现在只能研究其中的个体或小部分,就像是“通过一个像素来理解电视节目一样”。这些连接之间的每一层次都有各自的运作法则。但是,“这些运作法则,我们目前几乎一无所知”。



对于2005年启动的蓝脑计划,其发起人马克莱姆教授认为这样的模型有助于我们更深层的了解大脑是如何工作的,但是其他神经学家持有异议,他们认为此模型与更简单更抽象的神经回路模拟相比,没什么更大的用处,要说有什么区别,只不过前者占用了大量宝贵的运算能力和超算资源。


欧洲脑计划受到的质疑更大,2014年,200多名神经学领域科学家宣称将要抵制欧盟的人脑计划(HumanBrainProject,HBP),声称这个耗资12亿欧元的大型计划没有得到妥善的管理,因此无法达成其模拟人脑内部运作的宏伟目标。伦敦大学学院计算神经科学部门的主任PeterDayan告诉卫报,构建更大规模的大脑模拟的目标显示是根本不成熟的。“这是在浪费金钱,它会吸干宝贵的神经科学研究的经费,并让资助这项工作的公众失望。”  


上述质疑背后的核心问题依然是千年来存在的问题延续:还原论与整体论整合困难的问题,历史上,神经科学家研究大脑之谜主要采用了两条截然不同的思想线路:还原论和整体论。还原论又被称为自下而上的研究方法。该方法试图通过研究单个分子、细胞或回路等神经系统的基础元素的特性来理解神经系统。整体论又被称为自上而下的研究策略。它主要是从研究功能入手来理解神经系统,该方法主要关心的方面是系统的活动如何调节或是反映在行为上。





从文艺复兴到现在,人类对神智与脑关系的认识虽已取得多方面的重大进展,然而困惑依旧存在,主要集中于两点,一是整体论如何与还原论相整合,二是主观的神智现象如何用客观方法来研究。


整体论与还原论的整合,怎样在研究中使整体论与还原论平衡并相互补充,还远未得到解决。虽然整体论方向,脑科学取得了诸如大脑皮层功能分区,系统性理解感知的形成机理等成果,但迄今为止脑科学研究中还原论思想过多占据了主导位置,在一系列问题上突出地显露出当前神经科学的局限性。


例如,存在复杂树突的整合功能问题。迄今对中枢突触的研究还局限于中枢模式兴奋性突触,而对于树突树的研究,特别是关于树突棘如何激活、如何汇聚信号并整合成为神经元胞体的兴奋,探讨的路途尚很遥远。另外又有神经回路与脑功能的问题。神经传导和突触传递要能够上升为脑区的活动,需有特定神经回路的活动等问题。


除此之外几千年以,人类研究大脑的功能结构的困难,还有一个重要原因是复杂精密的活体大脑很难通过直接解剖或磁共振扫描发现其结构与外在功能的一一对应。


3.2.欧美脑计划忽视一个重要新因素-互联网


每一次人类社会的重大技术变革都会导致新领域的科学革命,大航海时代使人类看到了生物的多样性和孤立生态系统对生物的影响。无论是达尔文还是华莱士都是跟随远航的船队才发现了生物的进化现象。


大工业革命使人类无论在力量的使用还是观察能力都获得的极大的提高。为此后100年开始的物理学大突破,奠定了技术基础。这些突破包括牛顿的万有引力,爱因斯坦的相对论,和众多科学家创建的量子力学大厦,这些突破都与”力“和”观测“有关。


互联网革命对于人类的影响已经远远超过了大工业革命。与工业革命增强人类的力量和视野不同,互联网极大的增强了人类的智慧,丰富了人类的知识。而智慧和知识恰恰与大脑的关系最为密切.


如果我们观察近20年来互联网出现的新应用和新功能,可以直观的发现互联网与大脑结构具有越来越多的相似性。这些现象包括:打印机,复印机的远程操控,医生通过远程网络进行手术;中国水利部门在土壤,河流,空气中安放传感器,及时将气温,湿度,风速等数据通过互联网传输到信息处理中心,形成报告供防汛抗旱决策使用;Google推出了“街景“服务,在城市中安装安装多镜头摄像机,互联网用户可以实时观看丹佛、拉斯维加斯、迈阿密、纽约和旧金山等城市的风貌等。


这些新互联网现象分别具备了运动神经系统,躯体感觉神经系统,视觉神经系统的萌芽,基于以上互联网新现象,从2008年9月开始,中国的一批科学家将这种现象进行总结,并在多个SCI期刊,EI期刊,国内核心期刊,国际学术会议上发表“互联网进化规律的发现与分析”,“互联网与神经学的交叉对比研究”等论文,与2012年出版《互联网进化论》一书。




从2008年开始中国研究者第一次在世界上从学术角度提出了互联网与脑科学交叉研究的思路和方法,提出:“互联网将向着与人类大脑高度相似的方向进化,互联网将具备自己的视觉、听觉、触觉、运动神经系统,也会拥有自己的记忆神经系统、中枢神经系统、自主神经系统。另一方面,人脑至少在数万年以前就已经进化出所有的互联网功能,不断发展的互联网将帮助神经学科学家揭开大脑的秘密。科学实验将证明大脑中也经拥有Google一样的搜索引擎,Facebook一样的SNS系统,IPv4一样的地址编码系统,思科一样的路由系统。。。”


直到2010年以后,美国和欧洲科学家逐渐也意识到互联网与脑科学之间的关系,并通过论文,科普刊物发表类似观点和研究,我们将在"互联网大脑计划系列四“中详细介绍


互联网与脑科学的结合研究,使得互联网作为新科技技术为脑科学提供突破性支撑。在这种情况下我们并不需要通过组合亿万个硅基神经元模拟人脑,而且仅仅堆积芯片并不能自然得到人类大脑一样的功能和智慧。从科技发展史看,一个原本异常复杂的难题,在经过科技发展的足够程度后,也许会诞生出一个异常简单的解。


通过观察互联网如何在科学研究和商业利益的推动下,如何从一个分裂的,不完整的网络结构进化成一个与人类大脑高度相似的组织结构。利用互联网这面镜子作为脑整体论研究的突破点。结合脑还原论的细节研究(如分子神经生物学、细胞神经生物学、系统神经生物学、行为神经生物学、发育神经生物学、比较神经生物学等)。


回到美国哥伦比亚大学神经学家拉斐尔•尤斯特的那个比喻,没有参照物,我们无法用像素了解整个画面,但如果互联网与脑科学的交叉研究为我们从另外一个方向制作了一个高度类似模型(虽然它还在变动中),那我们就很容易知道这个像素在图像中的位置和起到的作用。如下图所示,A图是人类大脑全景图,B是由于客观原因人类能观察到的大脑功能结构,C是互联网进化中的结构,那么通过研究和观察C,人类就可以从B推导出A的全貌。




四、互联网+脑科学,21世纪带给中国重大理论创新机遇


4.1 脑科学与社会关联的历史背景和前人研究


历史上很多人独立揭示了社会可以看作为带有神经系统有机体的概念。例如认为国王是头,农夫是脚的观点,至少可以追溯到古希腊人。这个类推为19世纪社会学的创始人提供了灵感。赫伯特·斯宾塞(Herbert Spencer)提出《社会是一个有机体》;进化论神学家德日进(Pierre Teilhard De Chardin)关注社会是一个有机体的精神组织,称之为“心智界(noosphere)”;科幻小说作家赫伯特·乔治·威尔斯(H. G. Wells)提出“世界脑”的概念[42];1983年彼得·罗素(P.Russell)撰写的《地球脑的觉醒——进化的下一次飞跃》从哲学的层面探讨地球存在的本源和意义,他提出人类社会通过政治,文化,技术等各种联系使地球成为一个类人脑的组织结构,也就是地球脑。



总体上看这些思考和理论还局限在社会学、哲学的层面。由于受到当时互联网技术发展水平的局限,人们还不能全面了解互联网的结构和最新应用,无法从科学研究的视角,将互联网与神经学做交叉对比研究。他们往往把人作为神经元本身进行探讨,而没有发现人脑功能通过映射,在互联网中出现的类神经元现象,这个重要的区别导致上述这些思考一直无法将研究推进到科学实证研究的方向。


4.2.互联网,大脑和宇宙关系在中国的研究进展


21世纪以来,越来越多的迹象表明,互联网与脑科学有越来越强的关系,如果我们观察近20年来互联网出现的新应用和新功能,可以直观的发现互联网与大脑结构具有越来越多的相似性。这些现象包括:打印机,复印机的远程操控,医生通过远程网络进行手术;中国水利部门在土壤,河流,空气中安放传感器,及时将气温,湿度,风速等数据通过互联网传输到信息处理中心,形成报告供防汛抗旱决策使用; Google推出了“街景“服务,在城市中安装安装多镜头摄像机,互联网用户可以实时观看丹佛、拉斯维加斯、迈阿密、纽约和旧金山等城市的风貌等。这些新互联网现象分别具备了运动神经系统,躯体感觉神经系统,视觉神经系统的萌芽。


从2007年开始,中国的一批研究人员在不同场合,不同方式,如博客,论文,会议发表看法提出互联网与脑科学的关系问题。,


2008年9月《互联网进化规律的发现与分析》发表在中国科技论文在线(2009年3月刊登在期刊“人类工效学”上)。第一次提出“互联网向与人类大脑高度相似的方向进化”,并绘制出世界第一幅互联网未来的发展结构图-“互联网虚拟大脑结构图”。


这篇论文在投稿给Nature杂志时,被拒稿的回信中提到““人脑结构是无数的个体在自然选择的情况下形成的,而互联网的结构只有一个,如何反映互联网和人脑存在一样的进化原理是个问题”(the brain evolved over millions of years and  the brain evolved under natural selection in which many millions of individual designs were tried and abandoned. The internet is a single entity and is designed by humans.)


2009年8月19日,中国研究者在中国科技论文在线发表论文《互联网虚拟大脑的结构与功能》(2010年9月刊登在《复杂系统与复杂性科学》)正式提出除了互联网向人脑进化的路线图,也正式提出人脑中已包含互联网特征的功能和应用的观点,并给出11个对照研究点。


2012年1月,中国研究者在夏威夷WDSI 管理与运筹学会议上发表论文(从生命起源到智慧宇宙)””The Evolution Road Map from the Origin of Life to the Intelligent Universe“ ,第一次在世界上详细阐述了互联网,大脑和宇宙之间的进化关系。




这篇论文发表10个月后,美国科学家在nature的“科学报告” 发表论文“Network Cosmology”提出“对于不同的网络,如互联网、大脑神经元或整个宇宙等来说,其自然生长的规律是相似的”


2012年8月,《互联网进化论》由清华大学出版社出版,详细总结了过去5年在中国产生的关于互联网,脑科学,宇宙之间关系的研究成果。



4.3.欧美西方国家关于互联网,大脑和宇宙关系研究进展


  2009年9月16日美国邓白氏集团的董事长兼CEO杰夫-斯蒂贝尔(Jeff Stibel) 出版《Wired for Thought》一书提出互联网与脑科学的关系,到2014年11月,杰夫-斯蒂贝尔(Jeff Stibel) 出版《断点:互联网进化启示录》进一步提出互联网向大脑进化的观点,总体看杰夫-斯蒂贝尔(Jeff Stibel) 还停留在观点阐述的阶段,没有形成互联网进化成类脑结构的结构图,也没有意识到大脑中蕴含类互联网架构的问题。



2010年8月美国南加州大学神经系统科学家拉里•斯旺森和理查德•汤普森在《国家科学院院刊》(PNAS)发表论文用互联网路由机制解释老鼠大脑的信号如何绕过破坏区域到达目标区域。这一研究作为一个实验,证明人脑中的确存在类互联网应用。


2012年11月16日,加州大学圣迭戈分校DmitriKrioukov在2012年11月的《ScientificReport》发表论文提出利用计算机模拟并结合多种其他计算,提出许多复杂网络如互联网、社交网、脑神经网络等有高度的相似性。


4.4  21世纪留给中国关于互联网和脑科学的理论创新机会


总体看,关于互联网,脑科学和宇宙之间关系的研究,中国总体上领先美国和欧洲1到3年左右。目前在欧美国家,还没有对互联网,脑科学,人工智能展开深入的交叉研究,从欧美大脑计划看,总体还是沿着传统的脑科学路径进行研究,这中间出现的问题,我们在互联网大脑计划系列文章三中进行了详细介绍。


新世纪种种迹象表明,互联网,脑科学,人工智能之间的关系蕴含了创建新的理论机会,通过这个新理论,我们有可能实现对互联网,人工智能未来发展规律的构建,实现对脑科学整体论架构的新发现,为还原论找到重大突破的契机(报告人:刘锋    Email:zkyliufeng@126.com)


五、互联网神经学,建立互联网时代大脑计划的理论基础



5.1.互联网时代大脑计划的中国机遇  


  十八大以来,国家主席习近平提出 “中国梦“,确定中国人民到新中国成立100年时建成富强民主文明和谐的社会主义现代化国家的目标,从而实现实现中华民族伟大复兴,另一方面通过“人类命运共同体”的阐述,第一次向世界传递对人类文明走向的中国判断。


   习近平总书记在不同时间、不同场合强调: “综合国力竞争说到底是创新的竞争。”“创新是引领发展的第一动力。抓创新就是抓发展,谋创新就是谋未来。”  “创新始终是推动一个国家、一个民族向前发展的重要力量,实施创新驱动发展战略,就是要推动以科技创新为核心的全面创新。”


       互联网与脑科学的交叉对比、互联网大脑架构体系建立、互联网神经学的提出,是在过去10年里在中国形成的创新成果。互联网与脑科学的结合作为21世纪科技发展的新方向和新领域。留给中国难得的重大前沿理论创新机遇,这需要中国各领域科学家,特别包括互联网,神经学,人工智能,进化论,科技哲学等领域的科学家抓住机遇,勇于探索,抢占这个新时代条件下的基础科学理论制高点。


  2015年两会期间,李克强在政府工作报告中提出 制定“互联网+”行动计划,推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合,促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展,从而抢占新兴产业和新兴业态的竞争高地。在李克强总理的号召下,在中国,互联网已经与越来越多的行业,产业结合,释放出巨大的能量。包括金融,农业,制造业,交通,服务业等等。


    互联网+脑科学,同样蕴含了巨大的创新能量和拓展空间,有可能使中国在21世纪的前沿科学领域占领制高点。并深刻影响到包括网络理论、科学技术哲学、神经心理学,认知科学,乃至中国传统文化和思辨方式在新科技条件下的价值体现,国家军事政治在互联网条件下的发展策略和理论架构等。


       前文中提到,从技术进步导致科学突破的角度看,互联网带来的科学突破即将发生在脑科学领域,也就是破解大脑奥秘的钥匙就在互联网身上而不是其他,但从各国目前脑计划的制定看,互联网这个因素并没有得到足够的重视。没有互联网作为参照物,宏大的脑计划必将成为无源之水,无根之木,目前欧美脑计划出现的问题已经反映出这种倾向。


   “这是因为缺少一个脑科学的统一框架。”美国哥伦比亚大学神经学家拉斐尔•尤斯特说,科学家现在只能研究其中的个体或小部分,就像是“通过一个像素来理解电视节目一样”。这些连接之间的每一层次都有各自的运作法则。但是,“这些运作法则,我们目前几乎一无所知”。


   基于此,我们建议在相关部门的支持下,采取科研自组织和国家队相结合的方式,聚集来自神经科学,计算机,人工智能,科技哲学,网络经济,国家战略等方向的(青年)科学家组成攻坚力量,启动互联网大脑计划,抢占新时代条件下的互联网,脑科学方向基础科学理论和科技成果研究制高点。互联网大脑计划的特点可以归纳为:“三个支点,两个目标,一个基础“。


三个支点:

以互联网,人工智能,脑科学三个领域作为支点进行跨学科交叉研究,从而形成21世纪中国原创的重要科学成果;


两个目标:

1)通过脑科学预测互联网和人工智能未来发展趋势;

2)利用互联网作为研究大脑的参照系,建立以互联网架构为参考的人脑模型,从而为揭开神经学科学难题建立一条新的科学路径;


一个基础:

以形成中国原创的互联网神经学学科作为未来脑计划的目标。


5.2.互联网神经学的提出和研究方向


        从过去10年科学研究进展看,互联网与脑科学这两个原本距离遥远的领域,关系远比想象的要深入和密切,我们认为互联网大脑计划的核心以互联网,人工智能,脑科学为基础,建立在中国原创的互联网神经学学科,目标是通过脑科学预测互联网和人工智能未来发展趋势,建立以互联网架构为参考的模仿大脑模型,从而为揭开大脑之谜建立一条新的科学路径。并以此为基础,从而找到撬动中国脑计划向纵深发展并引领世界科技发展的关键因素。


       可以这样描述互联网神经学(Internetneurology):基于神经学的研究成果,将互联网硬件结构,软件系统,数据与信息,商业应用有机的整合起来,从而构建互联网完整架构体系,并预测互联网沿着神经学路径可能产生的新功能和新架构;根据互联网不断产生和稳定下来的功能结构,提出研究设想,分析人类大脑产生意识,思想,智能,认知的生物学基础;研究互联网和人类大脑结构如何相互影响,相互塑造,相互结合,相互促进的双巨系统交叉关系。





   如果以脑科学和互联网为横坐标轴两端,生理学和心理学作为纵坐标的上下两段,互联网神经学将由四部分组成:互联网神经生理学,互联网神经心理学,脑互联网生理学,脑互联网心理学,它们之间的交叉部分将形成第五个组成部分-互联网认知科学,他们的关系如图2所示,更为详细的介绍如下:


(1)互联网神经生理学(Internetneurophysiology)重点研究基于神经学的互联网基础功能和架构,包括但不限于互联网中枢神经系统,互联网感觉神经系统,互联网运动神经系统,互联网自主神经系统,互联网神经反射弧,基于深度学习等算法,运用互联网大数据进行图像,声音,视频识别等互联网人工智能处理机制。


(2)互联网神经心理学(Internet neuropsychology.)重点研究互联网在向成熟脑结构进化的过程中,产生的类似神经心理学的互联网现象。包括但不仅限于互联网群体智慧的产生问题,互联网的情绪问题,互联网梦境的产生和特点,互联网的智商问题等。


(3)脑互联网生理学(BrainInternetphysiology)重点研究大脑中存在的类似于互联网功能结构的地方,使得不断发展的互联网成为破解大脑生物学原理的参照系,包括但不仅限于大脑中的类搜索引擎机制,大脑中类互联网路由机制,大脑中的类IPv4/IPv6机制,大脑神经元类社交网络的交互机制,人类使用互联网对大脑生理学结构的重塑影响等。


(4)脑互联网心理学(BrainInternetpsychology)重点研究互联网对人类大脑在心理学层面的影响和重塑,包括但不仅限于互联网对使用者产生的网瘾问题,互联网对使用者智商影响问题,互联网对使用者情绪和社交关系的影响问题等


(5)互联网认知科学(TheInternetincognitivescience)可看做互联网神经生理学,互联网神经心理学,大脑互联网生理学,大脑互联网心理学的组合交叉,重点研究互联网和大脑两个巨系统相互影响,相互塑造,相互结合,互助进化,从而产生智慧,认知,情绪的深层次原理。


六、12个互联网大脑计划重点探索方向


以下列出的是实施互联网大脑计划建议的研究方向,相信随着互联网、人工智能、脑科学的进一步交叉研究,更多研究方向和科研问题将会有不同领域的科学家提出。

1. 探讨通过对互联网基础结构和应用的研究,提炼出特征,为大脑深入研究,解决神经科学诸多难题提供突破点.

互联网神经学为代表的整体论理论与还原论方向的分子神经生物学、细胞神经生物学、系统神经生物学、行为神经生物学、发育神经生物学、比较神经生物学进行结合,从两个方向同时对大脑进行科学攻关,解决困然科学界的只见树叶,不见森林的脑研究困境。

2008年开始,中国相关研究者提出根据互联网特征提出的大脑中至少存在13个典型的应类互联网应用,如SNS,搜索引擎,路由,IP等,这其中关于大脑中类社交网络属性,类路由属性,类搜索引擎特征已经由不同科学家发表论文进行了研究。

2009年科学院彭庚,刘锋,刘颖等研究人员在科学院大学进行了人脑存在类搜索引擎功能的实验,实验结果发表在2010年5月科学院星火栏目和2012年《互联网进化论》一书中

2010年8月美国南加州大学神经系统科学家拉里·斯旺森和理查德·汤普森在《国家科学院院刊》(PNAS)发表论文用互联网路由机制解释老鼠大脑的信号如何绕过破坏区域到达目标区域;

2015年2月英国伦敦大学学院和瑞士巴塞尔大学研究人员在自然发表论文公布他们的研究结果:脑中的神经元放电就像一个社交网络,每个神经元都与其他许多神经元建立连接,但最强的连接只存在于少数最相似的神经元之间。

互联网大脑计划还需要不断跟踪互联网最新进展,提炼其中带有基础性的特征属性,作为研究脑科学的新参考依据。从而不断对脑科学、神经科学的前沿进展。

2. 探讨在超级计算机上实现吸取互联网特征和特性的模拟人脑模型-“类互联网脑模型”。

随着技术的发展,大脑先后被形容为电报通信网和电话交换系统。现在则是轮到用计算机来形容大脑。虽然“计算机般的大脑”还只是个比喻,但是有一群科学家试图将这个比喻颠倒过来。他们希望与其将大脑看作计算机,还不如让计算机表现得更像大脑。他们相信,人们最终不仅能对大脑的工作机制有更深的了解,还能构造出更好的计算机。这部分科学家被称为神经拟态学科学家。

目前包括蓝脑计划,欧洲大脑计划 (HBP),试图用计算机芯片构建一个大脑的拟象。当前神经系统科学家对大脑的认知空缺主要在大,中等尺度脑解剖。单个神经细胞(即神经元)的工作模式大体上已被掌握,大脑中每个可见的脑叶和神经节的作用也已探明,但是脑叶和神经节中的神经元如何组织依旧是个谜。然而正是神经元的组织方式决定了大脑的思考方式——同时也很可能是意识的存在方式。由于之前没人知道大脑实际上到底是如何工作,这些科学家只能自己来解决这个问题,用堆砌的神经元芯片通过组合试图填补神经系统科学家对这一器官认知的空白。正是这个原因导致无论是蓝脑计划还是HBP受到众多科学家越来越多的质疑。

互联网的诞生使得构建“仿真大脑“有了大中尺度的类脑构造参考模型。互联网大脑计划可以探讨如何将互联网中的社交网络,搜索引擎,地址编码系统等特征与传统神经拟态学已有的工作进行结合,将可以使得建立真正的“类互联网脑模型”成为可能。

3.探讨通过对互联网大数据,人工智能,虚拟现实,社交网络的研究,为揭开人类意识,梦境,情绪的产生和表现形式提供重要突破依据。

例如目前从互联网所包含的应用看,能够产生类似人类情绪的部分主要发生在社交网络中,社交网络不但连接了互联网用户。更连接了这些用户在文字,图片和视频中表达的情绪,当这种情绪通过关系链产生传播和共振时,互联网大脑的情绪就具备了研究基础。大部分时间里,社交网络中发生着千万种的情绪释放,虽然可能局部有激烈的情绪节点爆发,但如果此时没有哪一个情绪能占到主导位置,那么从大尺度看,整个互联网大脑可以认为是处于平静情绪状态。但发生重要事件引发社交网络某种情绪集中爆发时,互联网大脑就会表现出显著的情绪,例如乔布斯去世的趋势引发的悲痛情绪,中国奥运会获得第一名引发的高兴情绪,关于雾霾报道引发的担心情绪。虽然这些是互联网大脑的心理学表现,但能否对人类大脑的情绪和意识的产生和波动提供研究灵感。

第二个方面:互联网的感知信息有三个来源,第一是人们通过社交网络发布的即时信息,第二是在各专业网站,维基百科由专业人士输入的专业类信息。第三个来自物联网,工业互联网传来的物理世界物的信息,也就是互联网感觉神经系统输入的信息。这三方信息被搜索引擎为代表的互联网人工智能系统进行二次加工,从而形成未来互联网大脑感知、记忆,学习的基础。这一互联网现象能否为揭开人类大脑的感知,记忆和学习提供帮助。

第三个方面,随着互联网的不断发展,虚拟现实技术开始进入到一个全新的时期,与传统虚拟现实不同,这一全新时期不再是虚拟图像与现实场景的叠加(AR),也不是看到眼前巨幕展现出来的三维立体画面(VR)。它开始与大数据、人工智能结合得更加紧密,以庞大的数据量为基础,让人工智能服务于虚拟现实技术,使人们在其中获得真实感和交互感,让人类大脑产生错觉,将视觉、听觉、嗅觉、运动等神经感觉与互联网梦境系统相互作用,在清醒的状态下产生梦境感(Real dream),互联网虚拟现实的发展能否为研究人类大脑中产生梦境的机制的表现形式提供重要线索。

4. 探讨基于神经学的研究成果,将互联网硬件结构,软件系统,数据与信息,商业应用有机的整合起来,在已有的研究成果基础上构建更为完善互联网大脑的架构体系。

这一架构体系能不能在冯诺依曼架构外产生新的网络架构体系。同时不断沿着神经学路径预测互联网可能产生的新功能和新架构和新商业模式,并在实践中不断检验这些预测的正确性和可靠性;

5.探讨将互联网大脑架构体系与人工智能进行结合的问题

通过对互联网中枢神经系统,互联网感觉神经系统,互联网运动神经系统,互联网自主神经系统,互联网神经反射弧的机制研究,系统和全面研究互联网智能发展机制和水平。除了深度学习等算法外,寻找更多类大脑运行机制,将其转变成互联网人工智能领域的应用,从而从宏观上不断提高互联网的智能水平。

6. 探讨通过互联网大脑架构体系,为建立新的世界互联网治理架构提供理论支持。

在全球国家尚未实现完全统一的当下,还存在不同文化,制度,民族,宗教特征的不同国家体制,如何区分出互联网的“中枢神经系统“,设定国际监管规则,共同对中枢神经系统进行监管。在保证互联网信息流动和共享的同时,维护不同国家的信息主权。

7. 探讨利用互联网大脑架构体系,对互联网条件下的国防建设进行理论研究。

帮助军事部门按照互联网大脑架构体系,形成用于军事指挥系统的军用中枢神经系统,感觉神经系统,运动神经系统,按照神经反射弧对军事反应进行规划。通过这些工作使得我国国防能够在未来高科技对抗中获得前沿理论支持。总体看西方军事部门还没有对互联网大脑结构与军事在网络环境下如何结合做更深入的研究。因此加快互联网大脑计划在这方面的研究对中国军事会起到重要作用。

8. 探讨通过互联网,人工智能、脑科学交叉研究,对政府管理互联网提供理论决策依据

一方面在互联网的哪些关键节点通过神经学架构进行分析和判断,从而加强监管力度。另一方面根据互联网会形成中枢神经的趋势,不断垄断化的互联网巨头如何应对和监管,也可以作为互联网大脑计划的一个子课题。

9.探讨通过互联网大脑的智商研究,形成互联网人工智能系统发展水平的世界指标评测体系

本世纪以来,随着互联网大数据的兴起,信息的爆炸式增长,深度学习等机器学习算法在互联网领域的广泛应用,基于互联网的人工智能正在成为互联网新的热点。随着谷歌,百度,微软,Facebook,苹果,IBM在人工智能领域的加大投入,众多人工智能科技企业不断兴起,在这种情况,根据2014年提出互联网智商,标准智能模型基础上,建立世界范围的互联网人工智能系统发展水平的世界指标评测体系,互联网条件下的人工智能未来发展提供可选择的方向。

10.探讨互联网、人工智能、脑科学交叉研究中,互联网的进化问题与达尔文进化论的关系问题。

以自然选择为核心的达尔文进化论是人类科学史最重要的理论之一。达尔文进化论认为生物进化并不是从低级到高级的进化,人类并不比其他生物高级,达尔文把生物进化过程设想成一棵不断地生长、分支的大树,现存的所有生物都位于这棵树的某个小分支的顶端,很难说哪一种更高级,在同时存在的生物种类之间作高低级的比较是没有意义的。进化没有预定的方向,进化树不存在一个以人类为顶端的主干,人类只是进化树上一个普普通通的分支。

从互联网的发展看,人类通过互联网的发展使得自身的进化也得到加速。向着更大的知识库(互联网知识库),更强的智慧能力(互联网群体智慧+不断提高的互联网人工智能水平),更广阔的发展空间(通过与互联网连接的飞行器,传感器,向海洋,太空深处),人类已经远远超过了其他物种的高度和水平,特别互联网虚拟大脑的形成。这些现象表明在不违反达尔文进化论在起点和过程的原理基础上,对于生命进化有无方向的问题,通过互联网与脑科学交叉研究可以提出新的设想,对达尔文进化论在生物进化未来的判断上进行修正,至于这一修改是否成立,需要通过科学的方式进行研究,发表和讨论。

11.探讨互联网向类脑结构进化,以及大脑中进化出类互联网结构过程中“看不见的手”的问题。“看不见的手”是英国经济学家亚当·斯密(1723-1790)1776年在《国富论》中提出的命题。最初的意思是,个人在经济生活中只考虑自己利益,受“看不见的手”驱使,即通过分工和市场的作用,可以达到国家富裕的目的。后来,“看不见的手”便成为表示资本主义完全竞争模式的形象用语。这种模式的主要特征是私有制,人人为自己,都有获得市场信息的自由,自由竞争,无需政府干预经济活动。

40多年来人类从不同的方向在互联网领域进行创新,并没有统一的规划将互联网建造成什么结构,在四十年后,越来越多的研究者发现互联网正在向与人类大脑高度相似的方向进化。同时神经学科学家也正在发现在人类大脑中,至少在数万年前已经进化出具有现代互联网特征的脑结构和脑功能。  

“看不见的手”像幽灵一样盘踞在人类社会的发展过程中,时隐时现,如果说社会学、经济学还只是模糊的看到这只手的影子,那么互联网与脑科学的研究有可能第一次把“这只看不见的手”逼到科学的解剖刀下。如何解剖它,需要互联网大脑计划参与者更多的思考和实践,相信这个秘密的解开将会给人类带来重大而深远的影响。

12. 探讨互联网、人工智能、脑科学的交叉研究与“中国梦”,“人类命运共同体”等理论的关系问题

2013年3月,中国国家主席习近平在莫斯科国际关系学院演讲,第一次向世界传递对人类文明走向的中国判断。两年多来,习近平多次谈到“命运共同体”。这一超越民族国家和意识形态的“全球观”,表达了中国追求和平发展的愿望,习近平在中共十八大报告强调,“这个世界,各国相互联系、相互依存的程度空前加深,人类生活在同一个地球村里,生活在历史和现实交汇的同一个时空里,越来越成为你中有我、我中有你的命运共同体。”

互联网向与大脑架构高度相似的方向进化,并形成互联网大脑架构的判断从某种意义上讲,正是“人类命运共同体”的一种表现,人类通过互联网大脑这个新世纪新型工具实现信息,知识,智慧的无边界流动,不同种族,国家,文化的人民通过互联网进行思想的碰撞,融合。人类共同接受互联网大脑中提供的智能服务,通过不断发育和成熟的互联网大脑共同感知世界,改造世界,共同解决来自自然,社会,虚拟空间的问题和挑战。这些现象与习近平主席所提出的“人类命运共同体”有着深入和广泛的关联,互联网大脑计划可以开展专项探讨,探究互联网与脑科学交叉与“人类命运共同体”的关系问题。为“人类命运共同体”提供更为丰富的科学理论支持和技术实现路径。

报告人:刘锋    Email:zkyliufeng@126.com




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