破解大脑的前景如何，拿块芯片试一试？

　　转载自本人微信订阅号“人类那点事儿”

　　原文链接：破解大脑的前景如何，拿块芯片试一试？生命与意识的灰箱问题（2）

　　导 读

　　攻克癌症与破解大脑，都将是巨大的科学奇迹。但是，前者让我们激动人心，后者却感觉喜忧参半甚至让人忧心忡忡。

　　超强的大脑是人类独一无二的荣耀，也是人成为有自由有尊严的人、人类连成平等社会的根本基础。细想起来，每个人生在世，除了大脑里那点儿想法，还剩下什么是别人夺不走的呢？

　　大脑会被破解吗？我们经常听到：脑控术、意念控物、脑机接口......，大脑似乎已经没啥秘密可言。然而，事实如此吗？我们的大脑探秘旅程走了多远？未来能走向哪儿？

　　这些问题关系到脑科学研究的方法论。我们上一篇介绍了一个思想实验《生物学家能修理收音机吗？》，这一篇介绍2017年发表的一个真正的实验——《神经生物学家否能破解微处理器？》

　　当然，欣赏科学之余，我们更关心的是科学带来的社会伦理问题。

　　

　　01

　　大脑是台计算机？

　　大脑跟计算机芯片可以作比较吗？

　　自从发现大脑才是意识和心智的发源地以后，“大脑是怎么工作的？”一直是科学家的难题。

　　——人们起先解释说：连接身体器官和大脑的神经是装着“精气”的空心管，直到18世纪末意大利医生伽伐尼利用青蛙做实验，发现它的神经是通过传导电来工作的。

　　——又过了100年，19世纪末另一位意大利医生高尔基用染色法看到了神经网络，获得了诺贝尔奖。但是，他固执地认为神经网络是像血管网络一样联通的，不存在单个独立的神经元细胞。好在他的错误被西班牙医生卡哈尔及时纠正了。

　　——每个独立的神经元，各自可能有成千上万个突触连接其他神经元，它们之间是如何通信的？这个课题集中了上世纪跟脑科学相关的诺贝尔奖。结论是：既有电通信，也有通过神经递质的化学通信。

　　——高级动物的神经元间通信以化学通信（神经递质）为主，神经递质有很多种：乙酰胆碱、多巴胺、5-羟色胺、去甲肾上腺素、腺苷……，都在神经元之间传递着不同的信号。

　　我们了解大脑的同时，“机器计算”也有了长足进步。如果把大脑跟计算机进行类比，确实存在可比之处——它们都有输入输出、记忆存储和逻辑计算的功能相似性，但也存在很多差异。除了复杂性具有天壤之别之外，它们的工作方式也非常不同。到目前为止，人类开发的电脑都是快节奏（主频）按照固定指令串行工作，而大脑却是慢节奏灵活并行工作。相比之下，电脑工作非常靠谱，人脑却是个马大哈，类似下图把A和B当做不同颜色的错觉，比比皆是。

　　

　　相比电脑，大脑还非常节能，两片白菜一两肉就足以录制一集《最强大脑》。如果用传统超级计算机模拟人类大脑，则需要一座千兆瓦的大型水电站才能开动起来，而且模拟出来的速度比大脑还要慢上千倍。

　　很多科学家仿照大脑的工作方式，致力于开发“类脑芯片”。2019年清华大学精密仪器系研发的类脑芯片“天机芯”，登上了《自然Nature》的封面。天机芯可以用来无人驾驶自行车。

　　

　　最复杂的类脑芯片是英特尔公司即将推出的Pohoki Springs系统，它有1亿个神经元、1万亿个突触，预计包含 768 颗芯片、1.5 万亿个晶体管。这个数量比人脑的神经元数量还是少了1000倍，人脑大约有1000亿个神经元、1000万亿个突触。但是，考虑到最近50年来电脑芯片技术有目共睹的发展速度，追上这1000倍，看起来也是指日可待。

　　有朝一日，类脑芯片系统在神经元数量上做到了大脑的复杂程度，是不是就算破解了大脑呢？其实不然，芯片只有0 和1的电位状态，大脑既有电通信，还存在很多种化学神经递质，人的大脑结构目前还根本就没有搞明白，举些例子：

　　——人类大脑神经元数量说是1000亿个，并不是一个个算出来的，而是把大脑组织粉碎溶解，筛选出神经元细胞核，然后计数估计出来的，最新估计是860亿个；

　　——除了神经元，大脑中还有数以千亿计的其他细胞，这些细胞肯定是有用的，比如支撑、隔离、营养，但是它们具体起到什么作用还说不清楚；

　　——神经元真正工作是通过突触接收、传递和处理信息，这个数量是1000万亿数量级，它们因人而异并不重复、还不断生生死死，打个比方：如果我们1秒钟可以搞清楚1个突触动作的因果逻辑，那么全部搞清楚需要3200万年！有哪个大脑可以健康稳定地让科学家研究这么长时间呢？

　　因此，所谓类脑芯片，只是在计算机和自动化领域的技术尝试，即便是达到了人脑神经元数量，绝不代表科学家已经全面破解了人类意识、心智和大脑的秘密。相反，人类对大脑的理解依然困难重重。

　　02

　　抢着烧钱的脑科学

　　尽管人类对大脑依然知之甚少，但牛皮却吹得很大！除了有一群“奇点论者”经常用科幻博眼球之外，很多科学家也经常会吹牛。这是因为，当代科学研究跟以往有一个巨大的不同，就是需要往里砸钱！靠一个人的脑力进行观察和逻辑推理，用作坊设备搞研究的时代一去不复返了。

　　科研变成了需要大量经费、大型设备、大批人员的大工程，提前预判科研方向和目标很重要，避免劳民伤财。过去的科学家可以去“愚公移山”，不必理会“智叟”的闲话，而现今的科学家却没有这份洒脱，他们必须对科研投入说出个子丑寅卯——论证可行性和必要性。如何恰如其分地吹牛，最终又不至于跳票而无法收场，成为“学术带头人”的重要修炼。包括“人工智能”、“认知神经科学”这些学科名字的最初诞生，都蕴涵着申请经费的冲动。

　　脑科学是这个世纪人类最大的科学计划之一，堪比原子弹曼哈顿计划、登月工程、人类基因组计划等。资金云集，到底怎么投，更加众说纷纭。

　　

　　美国奥巴马政府起初受一部分科学家游说，要开展一个“脑活动图谱计划”（Brain-Activity-Map），十年内花费30亿美元把大脑里所有神经元的活动记录下来。但是，另一部分科学家却证明这个目标根本达不到，最先进的大脑电活动探测技术“钙成像”处理不了1000亿个神经元（只能处理1000个），比较现实的是十年内完成果蝇大脑（约13.5万个神经元）的电活动图谱！基于务实沟通，最终美国政府于2013年推出了十年60亿美元的脑科学计划，提出了9项优先发展的领域和目标，包括搞清楚神经细胞的类型、绘制大脑结构图谱（不是活动图谱）、研发新的记录大脑电活动的技术等。

　　

　　欧盟更加激进，要搞个大跃进，在学术大咖马克拉姆的强势游说下，2013年推出“人脑计划”（Human-Brain-Project），希望通过十年12亿欧元的投入进行人的全脑仿真，用超级计算机模拟真实的人脑。计划推出后，遭到欧洲多数神经科学家的强烈反对，最终于2015年对计划进行了务实的全面改革，马克拉姆也黯然离场。其实在2009年，马克拉姆就曾经夸下海口，十年内完成仿真人脑，如今十年过去，我们依然连人脑系统的基本理论都还完全没有头绪。

　　03

　　拿块芯片试一试？

　　争来争去，有的科学家就在想，这是不是我们认识大脑的方法有问题呢？

　　因为，一直以来脑科学家都有一种“愚公移山”、“量变换质变”的坚守，大家普遍认为只是缺少信息和数据，只要有钱、有设备、有人员坚持下去，积累到足够多的信息和数据，在人工智能、数据挖掘技术的帮助下，终将破解大脑的运行方式。这期间，一旦有偶然、零星的突破，就进一步增强大家的信心。

　　这种情况下，“智叟”就出现了。美国加州大学伯克利分校的乔纳斯（Eric Jonas）和美国西北大学的科丁（Konrad Paul Kording），他们认为脑科学研究是一片乱象——几乎同样的技术路线，“成果”却是满天飞，公说公有理、婆说婆有理，大家各自都有实验依据，也很难评估他人的研究结论是否正确。

　　他们分别是计算机和神经科学的专业背景，这种结合使得深入实验成为可能。受2002年尤里·拉泽布里克的《生物学家能修理收音机吗？》的思想实验启发，他们决定利用他们跨专业合作的优势，做一个真正的实验——全面采用当代神经科学的研究方法，可以在多大程度上搞清楚一块微处理器的运行方式？2017年，他们的研究成果发表在美国著名的开源学术库PLoS上，题目就叫《神经科学家能破解微处理器吗？》。

　　他们选择的研究对象是1975年面世的微处理器MOS6502，它是一种 8 位 CPU，曾经在苹果电脑、任天堂红白游戏机等设备上使用。在今天的电子工程师眼里，MOS6502简单到了简陋，它只有 3510 个晶体管，相比之下英特尔目前的主流民用CPU例如corei7有多达数十亿个晶体管。如果考虑大脑突触的动作，它的复杂性甚至可能小于一个神经元。

　　

　　无论从哪个角度看，这块芯片都比神经系统简单和听话。更重要的是，为了全面获取运行和实验的所有数据，研究小组用计算机完全模拟仿真了这块芯片的全部。换言之，研究小组拥有了无数台一模一样的芯片可以进行任何试验，可以轻松取得绝对完美、毫无误差的任何实验数据。

　　研究小组让这块芯片模拟运行三种当年风靡全球的游戏程序：《大金刚Donkey Kong》（1981）、《太空侵略者Space Invaders》（1978）以及《陷阱Pitfall》（1981），对于实验观察者来说，这是梦寐以求的简单清晰、稳定重复的“行为”。

　　

　　研究组用尽了神经科学的各种研究方法来尝试破解这块芯片，破解的标志当然是了解和识破它的原理，如同下图从a-f描述的芯片各个层面的原理。

　　

　　实验开始，首先是用三维模型重建芯片的物理连接（连接组分析），依据芯片的不同材质识别物理结构和连接，分析软件可以生成很多规范的统计数据和图表，就像我们发现细胞一样，芯片的晶体管结构很快就被发现。尽管如此，从结构表象无法“顿悟”出运行原理（这个难度远远超过门捷列夫对元素周期表的“顿悟”），对于原理能够成立的推断并不多，相反误导性很强。

　　

　　紧接着，实验人员保持芯片分别运行那三个游戏，然后开始搞破坏——每次破坏一个晶体管，看看芯片还能不能正常工作和运行。结果表明有1565个晶体管破坏以后不影响所有游戏的运行，有1560个晶体管破坏以后所有游戏都运行不了。剩下的其他晶体管破坏以后对三个游戏各自影响不同。这种结果很容易误导研究人员，因为事实上，每个晶体管和游戏行为之间根本不存在必然的联系。

　　

　　如果不做破坏，无损观察能够发现什么呢？由于实验模型模拟出的条件太完美，研究人员毫不费力就获取了在神经科学研究中难以捕捉、异常宝贵的各种数据，例如：

　　——显示器每个像素的亮暗突然变化（行为）和每个晶体管（神经元）动作之间的关联；

　　——每个晶体管的动作与其他晶体管动作之间的相关性；

　　——芯片上各区域的电磁场强度变化和行为的关系......

　　他们还利用了大数据时代特有的数据挖掘手段，例如格兰杰因果分析、全芯片活动降维分析等，这些手段的共同特征是简单粗暴，“不问你对不对，只问你是不是”，科学家对这些数据挖掘产生的成果是极端迷恋的。

　　最后确实得到了眼花缭乱、不明觉厉的各种分析结果。

　　

　　然而，在明白微处理器的人眼里，这些实验得出的是大量的、没有任何意义的结论，其中只包含很少一部分正确的结论，例如发现了时钟信号（这原本只要一个示波器就能发现）。

　　他们的结论是：就算我们拥有了足够的数据，当前的神经科学领域的研究分析方法也可能无法帮助我们理解大脑神经系统。

　　两位科学家最后总结：相比于数据和信息的缺乏，我们更加缺乏的是关于微处理器（大脑）的基础理论框架。反之，科学家只要有机会“偷窥”一下微处理器的基本电路常识，例如各种逻辑门和算术逻辑单元的基本概念，研究进程将会一马平川。可是，人脑的最基本构造常识却无从“偷窥”。

　　原理基本概念的缺乏，使得脑科学家的工作就如同下图一般：芯片的工作原理如左边所示，可是无论如何高大上的人工智能数据挖掘，也只能构建出右边这种不伦不类的“原理图”。

　　04

　　科技爆炸的伦理问题

　　了解了这个实验和结论，为科学探索而叹息之余，也会觉得很宽心——因为我们人类的大脑堡垒还非常坚固！

　　一旦真正打开大脑这个堡垒，人类社会就该炸了锅了：脑控洗脑、智力放大、脑机结合、神经武器......，可以说谁掌握了开启大脑的钥匙，就掌握了全人类的未来命运。

　　大脑这个堡垒能永远抵抗下去吗？破解芯片这个实验，充其量也就打击一下忽悠经费的科学家以及忽悠大众的未来学家和科技狂人。这个实验的缺陷在于——它忽略了神经科学从简单到复杂、从周边到中心的发展和知识积淀过程。如果我们可以从电子管、晶体管研究起步，从输入输出环节先完成对元件的功能理解，就有可能找到和建立正确的、描述原理的概念和逻辑。

　　

　　在神经科学领域，有充足的条件去慢慢研究，面对复杂、立体和丰富的生物圈，尽可以从最简单的、几百个神经元的软体动物的基本输入输出行为研究起，一步一步地逼近真相。

　　大脑探秘最终能走到哪里呢？这是个重要的哲学问题，也不能盲目乐观，因为人类对复杂性系统的理解很可能是有极限的，最终将碰到不可知的墙壁。即使我们知道大脑工作的全部原理，也并不意味着有手段对人的意识进行肆意的改造，就如同我们在秋天踏入茂密的森林，谁能精确地说出来下一秒掉下的是哪片树叶呢？

　　几百年前，人类还在纠结于“心在思考”还是“脑在思考”，如今我们对生命和意识的理解已经是天壤之别。

　　几百年来，科学几乎总是带给人类福祉，很少去触犯人的价值和人类社会的伦理，而今不仅是脑科学，整个科技爆炸都像是兵临城下：

　　——作为“碳基生命”的人会不会不如“硅基生命”？

　　——人工智能时代要那么多人干嘛？

　　——脑机高速接口传递知识，还要努力学习干嘛？

　　——虚拟现实时代，要那么多物质财富干嘛？

　　——性与生育分离、社会化抚育婴儿了，要家庭干嘛？

　　——移动互联去中心化的时代要公司干嘛？要组织干嘛？

　　

　　历史告诉我们，要想遮挡真理的光芒，拖住科学家的后腿，是根本不可能的。人类能做的只能是，拥抱科技、开放心智、放下偏见，更加积极地思考社会哲学，寻找人和人类更加永恒的价值所在。