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人工脑连接体:类脑人工智能的奇点时刻来临 精选

已有 5286 次阅读 2018-3-23 18:03 |个人分类:类脑计算机与类脑人工智能|系统分类:科研笔记|关键词:学者

最近,我们的Mindputer实验室制造出世界首个“人工脑连接体”(True-Brain)的信息刚刚发布(详见《会议通报:中国Mindputer实验室首次造出人工脑连接体》做为一个高前沿性的专业技术概念,许多业内人士都还不熟悉这个新事物。什么是“人工脑连接体”?它是怎么被制造出来的?它与生物脑的不同或相同?它与脑计划的关系?它对人工智能和类脑人工智能的影响?等等。以下,我们就这几个重点问题做一解说。

当今世界几个主要技术大国都在展开自己的脑计划,其首要目标是:希望通过发展高尖端技术工具,来实现对生物脑的全部微观连接网络及其内部功能过程的精密测量和全时记录;在此基础上,建立起生物脑连接组数据库。这是欧-美-中等脑计划所共同遵循的基本技术路径。我们称其为“摹写-复制方法”。但是这个技术路径的难度极高。

“人工脑连接体”是另一个新技术路径,它不是对生物脑连接组的人工复制品或人工仿真品;而是使用深构造脑模型特有的专长——深构造网络组装——按照组装规则和连接计算方法,从无到有,从小到大,从简单到复杂,逐步地组装出一个原生的人工脑皮层。这种组装没有事先设定的生物脑蓝本,而是像生物脑的发育那样自己生长出的原生品。这一新技术路径,我们称其为“深构造组装”。

True-Brain的基本框架是这样的,分为12个功能模块(脑功能亚区),4个梯级(脑发育/进化层次),每个功能模块设有36个多丛异分器(MCTP)。每个异分器的神经元承载量10-30个。神经元数量总计在4320个-12960个范围内调动。实验中,分许多个局部性的组装任务,从最低层开始逐渐向较高层发展。在每个局部任务中,上面一个功能模块通过树突构型计算来建立对下层一个或多个功能模块中的信号竞争的深构造调制。通过大量的虚拟工作任务之间的竞争和建立调制深构造,使全框架中形成越来越多的中枢分化,网络系统越来越复杂。最终生成了一个人工脑皮层。

                      图1 核心元件 多丛异分器(Multi-Clusters Transforming Processor MCTP)

 


                        图2  True-Brain基本框架示意图  12个功能模块 X 36个多丛异分器 

True-Brain是我们实验室经过一年多制造出来的世界第一个高逼真性的人工脑连接体。一方面,这个人工脑连接体是以在Mindputer样机中的数字信号形态而存在着的,不是以生物的肉体细胞状态存在着的;因此,在外形上我们找不到脑的实体感觉。但是另一方面,实际的测试结果已经反复得到确认,这个机器中的“数字脑”在5个最基础的结构-功能特征上,与实生物脑具有高度相近的可比较性。以下简述之:

/ True-Brain中的核心元件是多丛异分器(Multi-Clusters Transforming Processor)。它可以使每一个神经元的树突按照丛枝状的结构建立连接。不同突触之间在树突上的位置和距离上的差异,可以建立起对不同突触之间所产生的同时性信号的优先让步秩序的协调。这是深构造网络内部形成各种信号竞争有序性的技术基础。在True-Brain中,各神经元之间的突触连接均可以实现像生物性神经元的树突丛枝状结构那样的连接关系。这是第一个高逼真性基本特征。

/ 在True-Brain中,所有的虚拟记忆单位之间,不论其网络规模有多大,也不论这些记忆单位形成的深构造复合结构有多复杂,它们都能够保持清晰的边界和单个记忆单位的可提取性。任何一个神经元都可以分属于不同记忆单位,以及可以被不同单位的工作流程所使用。由此,许多记忆单位或工作流程因它们共用神经元的载体方式而形成了“记忆的共融性存储”,这种边界清晰的“多记忆的共融性载体存储构造”是又一个高逼真基本特征。

/ 同一载体上不仅可以实现对许多记忆内容的存储;而且可以在载体上不断增加新的记忆内容,而原有的记忆内容继续保存且不需要抹除。新旧两种记忆内容可以并存。这样,深构造网络有效地解决了现有人工神经网络技术中难以解决的“灾难性失忆”问题。在True-Brain实验中,我们可以随时将新记忆内容叠加到旧记忆的载体上,只增加了深构造网络的复杂度,但不影响整个载体系统内部的边界有效性和调制有效性,也没有产生任何特定内容的失忆现象。这是第三个高逼真性基本特征。

4/ 通过一年多的组装实验,我们总结出一个规律:从低层向高层的每一次新的竞争调制,都意味着新的更高层的中枢分化。按照这种规律,可以预测组装过程中的更高层级新功能区的形成趋势;反之也可预测和解读较高等级功能区对较低等级功能区的反馈回路的形成原因。我们在True-Brain的组装中,已经全面获得了与实脑高度近似的脑皮层内各中枢的属性分化和梯级分化的边界关系和进化关系。这是第四个逼真性基本特征。

/ 在对True-Brain的测试中,测定任何一个虚拟的工作任务,都可追踪到与这个特定功能过程相对应的突触连接网路。可以通过追踪在脑中被激活的某些网路部位或某些局部网路来研究功能与结构的对应关系。在True-Brain实验中,我们的追踪可以落实到跨多个层次中的多个模块区中的任何相关的单体网络及其它们全部的回路上,可具体化到每一个相关细胞和每一根相关突触上。这种测定方式与脑功能连接组中对实脑所进行的粗粒化的活性过程的成像效果高度相似,但必它精细得多。这是第五个高逼真性基本特征。

True-Brain做为一个人工脑连接体,与现在欧-美-中等脑连接组计划所正在进行中的实验项目项目相比,在可以追踪显示的白质和灰质的细胞和突触的细微程度上和全覆盖范围上都是最高的。在不以任何一种具体的动物脑为蓝本前提下,我们所创造出的人工脑连接体已经为我们提供了现有的各种生物脑连接组研究项目所无法提供的关于脑皮层的通式化的组装规则、结构模式和连接方法。这将对生物脑连接组研究和脑计划的发展有直接帮助。这方面的内容将另行论文发表。

回过头再来看欧-美-中各个脑计划,可以凸显出理想与现实的巨大差距。从理想的目标来看,各脑计划都不约而同地采用了“自下而上”的逆向研究路径。即从生物脑的微观层面的实验数据和知识入手,通过逐渐整合,向上寻找中观和宏观层面上的结构关系规律,最终希望建立起整体的结构-功能的脑连接组模型。但现实是,如此大规模的微观海量的数据和碎片化的实验知识的“拼图工程”,需要消耗超长周期的时间和财力。而人工脑连接体方法与“摹写-复制”技术相比,拥有两个突出的优势:

1/ 生物脑连接组的技术创新是在挑战物理和化学的极限。在目前技术条件下,只能够获得大面积的白质粗纤维图像,更无法对灰质纤维实行大面积的记录。而人工脑连接体组装却能够同时对白质和灰质纤维在神经元和突触水平上进行大面积的网络解析和追踪。

2/ 现有技术水平下的脑连接组研究,只能在死亡的脑组织上进行较大规模突触水平的连接网络的记录。人工脑连接体方法却能够演示“活体”状态下的全规模微观突触活动过程,可实现细胞和突触水平上的大规模的动态网络的追踪,可以实时显示在生物脑实验中难以观察到的活体细节过程。

这项技术还在改进发展中,我们正在对异分器进行重新设计,可进一步提高对突触“活性”的追踪效率。一个异分器中有许多个人工神经元,每个神经元又有许多突触,我们希望在异分器上实现在任何时刻对任何神经元上的任何突触位置进行同时性的追踪,并希望将人工脑连接体中的“活性”过程转化到一个配套的图形软件上,将数据自动地转化为立体动态图像。这样将来,我们可以为脑计划提供一个新工具,用于对生物脑的微观连接结构的分解和微观细节活动的过程模拟实验;实现对生物脑功能全部细节过程的完全透视。

谈到这里,有读者自然会问到:既然人工脑连接体已经能够这么逼近于生物脑的结构和功能细节,那么,是否意味着“类脑人工智能”或“人工思维”的梦想正在变为现实呢?我们的回答是:YES!任何一位脑科学的专业人士或人工智能的行内人士都能够理性地做出这个推断。人工脑连接体的制造成功,意味着“类脑人工智能”的奇点时刻已经来临!这是一个事实,不需要夸大或缩小。以下,我们再提供两个实验中的观察结果予以佐证。

1/ 在True-Brain组装实验中,同一套神经元做为载体,可以实现对许多记忆内容的存储;且载体上可不断增加新的记忆内容,同时原记忆内容不需要抹除。新旧两种记忆并存,且不影响各自的独立调用。进一步地观察发现,这些不同的记忆内容,不论它们属于什么样的信息类型,也不论它们是什么样的环境对象,或者是什么样的特定原有载体形式;True-Brain中的人工神经元都可以解决对它们的负载。也就是说,深构造网络具有天然通用性,不需要为特定的记忆内容、信息类型、环境对象或载体形式设置专门的存储-处理网络。这意味着,深构造网络所具有的“共融性存储”为通用人工智能准备了技术基础。

2/ 在True-Brain实验中我们还发现:对已有的记忆网络单位,可以按人的需要,任意选取其中的某个局部,然后将它们单独摘取重组后形成一个新记忆内容。用这种方法,可以实现对任何已有的记忆内容进行任何重组,通过设定新的突触连接而组装成一个新内容网络,而原各记忆网络的工作流程可继续保留。这意味着,我们可以在人工脑连接体上自由地进行像人脑一样的知识加工。在旧记忆基础上建立新记忆,在旧景象基础上建立新景象,在旧知识基础上建立新知识。这是新认知进化和知识创新的高智能过程。显然,我们在人工脑连接体实验中已经为“人工思维”和“人工创造性思维”找到了技术基础。

上述两项新的发现,时间还不长,后续的实验还在进行中。但已经足以说明人工脑连接体的出现标志着类脑人工智能这个梦想已经开始落地了,奇点时刻已经到来。如果人类下一步用超级知识机器来记忆巨量的知识,并在巨量的知识基础上进行知识创新,那么人类最后的守护地——创造性——也将沦落为普通的大众化的产品,霍金对未来的担心,已经提前在人工脑连接体中露出了它的朦胧的身影。我们做为亲身经历True-Brain组装实验的主要参与者,此时的心情是两极性的,对技术突破的兴奋与对未来不确定性的忧虑。

我们需要时间思考,需要认真思考霍金的预言,需要好好想想人类的命运问题!

  (注:本文在与Mindputer Lab首席科学家韩文平的讨论中酝酿而成,特此致谢!)  

 



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