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从“BAM”到“BRAIN”:美国“脑计划”借鉴
热度 11 lubai 2017-3-21 13:05
图片来自brainfacts.org 编者按 : 如今人类对自然的控制能力越来越强,人们也越来越想了解“控制自身的器官”——大脑。2013年4月,美国奥巴马政府宣布启动美国脑计划。几乎在同时 (2013年初) ,欧盟宣布“人脑工程”作为其未来10年的“新兴旗舰技术项目”。随后,日本和其他国家也相继启动了自己的脑计划。一时间,世界各国开始了一场“脑科技”竞赛,“脑计划”被看作是可以和“人类基因组计划”相媲美的大科学项目。在此大背景下,中国“脑计划”也呼之欲出。 2016年底,美国召开了“脑计划”第三次年会。年会邀请了受该计划资助的500多名学者,以报告和墙报的形式介绍自己的最新进展。除了美国本土的专家,年会还邀请了欧洲、加拿大,以色列和日本的专家。清华大学教授鲁白作为被邀请的唯一一位来自中国大陆的科学家,在会上作了学术报告并参与讨论。本文是鲁白教授对美国“脑计划”的介绍和对中国“脑计划”的思考。 撰文 | 鲁白(《知识分子》主编、清华大学教授) 责编 | 李晓明 ●   ●   ● 美国“脑计划”的起因与发展 美国的“脑计划”,有一个奇葩的起始,是在科技界纷乱的反对声音中才找到方向。 2012年初,奥巴马总统科技政策办公室找到基因组学,脑科学,合成生物学,纳米技术等方面的著名科学家,希望他们提一个类似人类基因组计划那样的脑科学计划。经过一番酝酿,这些科学家提出了一个名为大脑活动图谱绘制 (Brain Activity Mapping,BAM) 的计划,即通过记录各种脑活动中涉及的每一个神经元的每一个动作,来绘制出第一幅囊括大脑所有活动的详图,其最终的应用包括通过直接改变神经回路中的电活动来改变人脑功能和治疗脑疾病。 同年4月,奥巴马在国情咨文的基础上宣布要启动该计划。即刻在美国科技界引起轩然大波,众多科学家纷纷表示反对。在纷乱的反对声音中,意见主要集中在两点:一是在设计BAM的过程中,并没有经过广大科学家的深入讨论;它只是少数专家和白宫科技顾问们闭门造车的结果。因此,该计划到底是不是可行,有多大意义,还值得商榷。二是白宫的科技政策办公室可以决定要不要做、制定政策或提出法案,但不应该决定要做什么、怎么做、或者参与管理具体科学项目的实施。其中反对最强烈的是一位做线虫研究的著名女遗传学家、洛克菲勒大学教授Cori Bargmann。 洛克菲勒大学教授Cori Bargmann。来源:rockefeller.edu 面对批评,奥巴马决定由美国国立健康研究院 (NIH) 作为领导机构,组织协调美国脑计划,吸收平衡各方意见。他点名任命了NIH的院长Francis Collins负责该计划,因为此人曾经领导了美国的人类基因组计划,得到了科学家们的认可和各界的赏识。Collins随后组织了由NIH牵头,能源部、自然科学基金会 (NSF) 和国防部等部门共同参与制订美国脑计划。一开始他就做了一件非常出色的工作,成立了一个由多位有全局观念和战略眼光、有公心的著名脑科学家组成的专家委员会。他认为,脑计划要做什么、如何做,要由科学家们讨论得出,不能由政府部门制定。之后,他任命了两个科学家做专家委员会共同主席,一个是德高望重的灵长类认知研究专家、斯坦福大学教授Bill Newsome,另外一个就是对BAM提出尖锐批评的Cori Bargmann。这是一个非常有趣的美国式的化解意见方式:你的意见最大,就让你来做主席,参与和主持整个工作的进行。Newsome和Bargmann作为共同主席,邀请了20多位举世公认的脑科学不同领域的学术领袖参加专业委员会。为了避嫌,专家委员会成员不能申请脑计划的基金。 NIH的院长Francis Collins。来源:NIH William T. Newsome(昵称Bill Newsome)。来源:hhmi.org 专家委员会提出来一个非常创新的组织研讨方法:每次开会前先确定一个主题,广泛征集神经科学界对该主题的意见;开会时网上直播整个过程,全美国的科学家们都可以看到专家委员会成员对每一个主题的讨论;各地的科学家们还可以进行网上互动,提出问题,看法和意见;会后又有书面提意见的机会。经过十几轮这样的讨论,最后形成了美国“脑计划”的定位、方向、目标以及里程碑和时间表,并将整个计划向全社会公布。 经过反复的讨论,“脑计划”专家委员会决定放弃之前提出的“BAM”计划。他们认为,在脑科学中还没有一个像“全基因组测序”那样具有明确终点的大科学问题。而在有限的可预见的时间内完成“脑活动中涉及的每一个神经元的每一个动作”的记录,从技术上看是非常不切实际的。因此,美国“脑计划”决定以技术开发为主导,更名为 “BRAIN”,即“推进创新神经技术脑研究计划”。该计划将大致遵循先开放新技术,新工具和新方法,再实现以下七条目标: 1) 对神经元和神经胶质细胞类型进行全面、系统普查,并开发工具来记录、标记和操纵这些神经元; 2) 改进各种技术,绘制从突触到整个大脑、分辨率不同的各个层次的神经环路图; 3)开发和应用大规模监测神经活动的方法,生成大脑工作的动态图像; 4)证实因果关系:采用能够精确改变神经环路动态的干预工具,将大脑活动与行为相关联; 5)确定基本原理:通过开发新的理论和数据分析工具,获得了解心理过程生物学机制的基础概念; 6)推动人类神经科学发展:开发创新技术,以了解人类大脑并治疗脑部疾病 ;创建并支持整合的人脑研究网络; 7)从“BRAIN计划”到大脑:整合新技术、新方法,发现神经活动的动态模式如何转化为健康和疾病中的认知、情感、知觉和行为。神经环路及转基因模型。 图片来自 brainfacts.org 美国“脑计划”的最新进展和成果 2016年底召开的美国脑计划第三次年会,邀请了四位大科学家做主题演讲,让人印象最深的是美国休斯研究所的Karel Svoboda教授。他所在的Janelian Farm研究所,展示出几个鲜明的特点: 他们比较注重神经技术的开发 (比如神经递质的荧光标记物) ; 擅长“任务导向型”研究 (有明确而可衡量的目标,紧扣主题而可实现的计划,以及明确的进程时间表) ; 人才结构方面引进了不少做物理和工程的专家,提倡学科交叉;经常做一些多学科协同作战的技术课题 (比如研发新一代可以大面积观察快速变化的荧光显微镜) ,等等。 Svoboda提出一个观点: 对新技术新方法的研究,不应该拿发表文章的数量和影响因子来衡量,而应该看重技术的应用和推广范围和速度。 为此,所里建立起一套新的神经科学技术的开发方式,一个研究者可以组织所内甚至所外的不同领域的科学家,形成一个临时团队,设立非常具体的目标,开发完成后,团队立刻解散。开发了新的技术都不能只给自己用,必须要立刻传播给全世界各地,让大家免费使用。开发成功后,团队成员报酬丰厚,但是评价技术的标准只有一个:技术是否被快速而广泛地应用。 Karel Svoboda。来源:janelia.org 年会分为三天,每天分四组平行邀请报告,其他的研究成果用墙报的形式展示。三年以来美国的“脑计划”已经初见成效,主要表现在四个方面: 1. 记录技术: 研究神经元的电活动,传统方法是用一根电极,记录单个神经元的放电情况。这就像大海捞针,单个神经元的活动很难准确反映众多神经元所介导的某种行为。目前的努力是用几十个至几百个电极,同时记录和解读神经元的活动。另一种是光学的方法,譬如说钙成像可以同时记录一个小范围内几千个神经元的电活动。但是往往需要将动物固定在显微镜下看,动物不能动。现在用3光子,镜头矫正等技术,可以观察到大面积脑区内的神经元放电。用微型植入式镜头,则可观察动物在行动时的电活动。功能磁共振一般只能间接而粗略地观察某个脑区的神经活动,而且机器庞大而昂贵。近年的技术将磁共振变得小型化、便携式、可移动,甚至与PET结合可同时检测神经递质释放。超声波记录是本次会议的一个亮点。电极和光纤都需要进入大脑,是侵入式的。超声波有较好的组织穿透力,是非侵入式的。现在有各种创新,将超声技术用以观察神经元活动。当然,以上这些技术还在研发初期,目前还没有一种技术可以被广泛应用。但是在年会上展示的众多新型记录技术,前景非常看好。 举两个令人鼓舞的例子。加州理工学院的汪立宏教授用声光成像 (Photoacoustic Tomography) 来观测在体神经元活动,其原理是用激光脉冲射入深层脑组织,神经细胞表面就会产生震动,在体外设置接收并分析这些震动发出的超声就可以重构出图像。这种方法可以非侵入地记录在体神经元的活动,是当下非常看好的技术。加州大学大卫斯分校的Tian Lin 田琳教授,通过对细菌PBP蛋白的改造,让它变得能和五羟色胺 (5HT) 结合,再接上绿色荧光蛋白,就可以实时观测脑内5HT的释放。这种方法推广后还可能检查其他神经递质。 汪立宏。来源:caltech.edu 2. 刺激技术 刺激神经细胞从而改变脑活动和行为是神经科学的另一大手段。长期以来一直是将电极插入某个脑区,给电刺激使神经细胞发生反应。近10年光遗传学已经基本取代电极刺激,因为光敏蛋白可以通过遗传学手段表达到特定的神经细胞。其缺点就是光纤维也需要插入脑中。根据光刺激的这个思路,目前一些实验室利用生物体内蛋白的生物发光,对特定神经元进行刺激,以求实现非侵入式刺激。超声波可以穿透头骨和脑组织。很多实验室在努力开发超声刺激,研究工作非常活跃。与光电声技术相比,磁场技术具有的独特优点就是穿透力强、衰减慢,因此可以无损伤地影响神经元活动。一些学者用纳米磁珠来激活机械敏感性离子通道,以期实现刺激神经元的目的。另一个研究热点是寻找磁感应蛋白,这样外加磁场时就可以控制神经元的活动。这是一个非常令人关注的领域。 3. 分析技术: 这次年会上最为引人注目的课题之一是单细胞的基因表达和标注技术。目前关注的热点是: 1)开发大数据整合分析神经元记录数据的方法,包括影像学数据平台和电生理记录的数据平台,这些数据将有利于推进计算神经科学的发展,也可以作为将来机器学习诊断多种神经疾病的样本库。 2)单细胞的基因表达和标注技术,解决神经元的种类和功能之间联系这一关键问题。目前走在前沿的是Allen 脑研究所的曾红葵教授, 他们用单细胞测序技术,做整个小鼠皮层和下丘脑的神经元表达谱,并结合细胞的形态,连接和电生理特性进行一种全新的细胞分类,可能会对整个神经科学产生冲击。 曾红葵。来源:脑与认知科学国家重点实验室 4. 各种技术在脑功能和行为发面的应用: 尽管技术开发尚处在早期阶段,已经有不少神经科学家利用已经开发的新技术来重新认识脑功能和行为。举例来说,普林斯顿大学的青年科学家Ilana Witten教授,用VR可以模仿环境代替工作记忆的行为学范式,并用大面积高精度成像技术实时观察整个大脑皮层在工作记忆时的神经细胞,甚至尝试改变部分脑区神经细胞电活动的方法,观察工作记忆是否受影响。这是我见到的极有创意的工作。 小鼠脑中的神经元。来源: Winkle, et al. The Journal of Neuroscience , 2016 对中国脑计划的借鉴意义 从历史上来看,一个颠覆性新技术出现时,会推动神经科学前进一大步。例如,膜片钳技术使得离子通道和细胞电生理研究经历了十几年的繁荣;还有荧光蛋白,基因敲除,等等。但是,以前是单个技术开花结果,现在是百花齐放,很多技术加在一起有可能使脑科学研究有一个前所未有的爆发性发展,使我们更深一步认识高级脑功能,解释行为,也给脑疾病的诊断和治疗带来跨越式的进步。 注重技术开发也许是中国脑计划需要借鉴的一个重要方面。 跨界和学科交叉是美国脑计划另一个显著特点。很多之前不做脑研究的化学家、物理学家、工程师,由于该计划的支持、吸引而进入脑科学领域,与神经科学家合作,从全新的角度,用过去几十年都无法想象的方法手段,从多个层次展示了脑的奥秘。这种学科交叉和跨界合作带来的创造力的爆发令人振奋,也让我切身体会到的, 中国的脑计划,应该设计出新的鼓励机制和评价标准,促进跨学科的合作。 以目标或任务导向的课题或项目,在美国脑计划中呈现出越来越多的不凡表现。这种做法可能起源于Allen脑研究所。当年他们曾经用比NIH少一半的时间,一半的钱,将鼠脑的一万多条基因表达的定位全部做出来。这是通过一个较大的团队分工合作实现的。有人做脑切片系列,有人做基因探针,有人专做杂交,也有人管图像记录影像照相,分析,最后还有人把它组装起来。这样做的效率高,质量也好。在脑计划中他们继续发挥做“任务导向性”课题的优势,完成了鼠大脑皮层的精细连接图谱,目前正在做鼠的大脑中所有抑制性神经元的形态、电生理、单细胞基因表达谱,希望对这类重要的神经元做出全新的系统分类。这类任务导向性的工作需要较大团队的协作,要运用现代化的项目管理方式,要求有明确而可衡量的目标,紧扣主题而可实现的计划,以及明确的方法和进程时间表。 在中国的脑计划中,可以考虑一部分“任务导向性”课题 ,譬如中国人老年痴呆症大脑中单个神经元基因表达谱,灵长类皮层连接图,等等。 由科学家而不是政府官员或科技管理人员来定方向,是中国脑科学计划非常需要学习借鉴的做法 。中国在科研管理上已经有了长足的进步,尤其是在同行评议来评审课题申请方面。但这只是在课题已经决定要做,大家在申请的时候。在如何立项,如何管理,这些仍然非常欠缺,早期的咨询不够。很多决定是长官 (包括一些长期脱离一线研究的资深科学家、院士) 意志,拍脑袋决定的。如何组织具有全局观念和公心的、有国际学术地位而且还在科研一线工作的战略科学家组成的专家委员会,如何让广大科学家通过深入的讨论来决定做什么、怎么做、如何来考核评价脑科学计划的成果,这些都是需要深入思考的。政府起到的只是组织和支持的作用。中国的神经科学家的数量要比美国少得多。美国的神经科学会有44000名会员,而中国可能只有4000人,水平也与美国有较大差距。中国要施行脑计划,建议多聘请国外的已经参与美国脑计划讨论的科学家,咨询他们的建议。 中国脑计划需要充分利用自己的资源,规划具有特色的研究计划 。现在一些新技术开发,过几年会逐渐走向成熟和应用。在这个过程中,会开始逐渐关注脑认知的原理和机制,特别是高级脑功能 ,比如计算和数字概念,自我意识,想象,或者其他与高等动物差距很大的行为 ,这些是用小动物 (鼠类) 无法研究的。因此,使用灵长类动物做研究就显得非常重要。长期以来,灵长类研究进展不大,其中很大一个原因是技术不够。脑计划开发的新技术新方法,一定会在灵长类脑研究中结出硕果。中国具有丰富的灵长类动物资源。也许可以利用美国脑计划所开发的新技术来研究灵长类脑的连接、发育、电活动以及高级脑认知行为,为世界脑科学做出独特的贡献。 我注意到,在美国的脑计划整个研究中,好像缺乏互联网、大数据、人工智能、增强现实 (AR) 、虚拟现实 (VR) 的应用,而这些恰恰是在中国近些年来发展得非常好的地方。例如,中国脑疾病病人的数量远远超过美国,可能产生的大数据,如果得到很好的、规范的利用,可以使中国脑科学获利。也许在中国脑计划和未来的脑科学的发展中,可以考虑拿出一部分资源来支持上述几个优势方向,应用到脑科学的研究中去。也许这样的结合,能够走出一条有中国特色的脑科学研究道路。
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美国加快脑与神经科学研究的优先重点
热度 1 STIWatch123 2017-1-12 09:04
脑与神经科学研究对于健康、教育学习和技术开发(新型计算机和机器人,如神经形态芯片)意义重大。美国国家科学技术委员会 2014 年发布的神经科学部际工作组报告明确了重要挑战和优先重点,强调通过加强沟通、协调和合作加快神经科学研究。 一、认识并运用脑信息处理能力 近年来,成像、遗传学、电子和材料科学领域的进步为脑结构和脑功能的实验研究能力取得突破创造了可能。计算机科学与人工智能的互补发展还大幅提高了从庞大复杂的数据集中发现规律并对脑功能进行模拟的能力。这些方法有助于揭示神经活动规律和复杂行为背后的脑结构,还为开发下一代治疗装置、设计新颖的计算机和机器人装置创造了条件。美国的“脑计划”是这方面振奋人心的举措,它着眼于加快新技术开发应用,创建动态的脑功能图,最终更好地认识人类如何思考、学习和记忆。 挑战在于 :一是记录并调节复杂行为背后的神经活动。新兴技术为在前所未有的尺度上更精确地记录并调节脑电活动创造了可能。通过集中投资并加强互动,能够与相关研究群体建立信息共享和协调机制,确定并聚焦于神经科学领域的关键技术和战略目标。二是制定数据挖掘、数据驱动型发现和计算机模拟的新策略和新标准。大规模全面观察脑活动会产生海量数量,这给计算能力带来了巨大的挑战。这需要有有效、严谨的方法来集成如此庞大复杂的数据集,从中找出规律,同时促进研究团队之间高效合作。三是将脑信息处理能力的研究成果和方法论转化为应用。脑研究能够用以加快关键的健康和技术领域的进步。其中尤其有巨大潜力去改善神经修复和神经假体装置,使之无缝融入神经系统,并更灵敏地响应佩戴者的需求。但是,科学家还缺乏如何优化这些装置、使之与神经系统和脑直接沟通的认识。 重点建议 :( 1 )通过“脑计划”协调神经科学部际工作,确保从物种、技术和方法层面为众多项目提供支持。资助机会应鼓励加强多学科和跨学科互动,以撷取不同的基础和应用科学研究群体的各种观点。( 2 )支持拟定并确立系统性地描述和量化行为、认知和疾病数据的方法。这是数据集成的关键,需要汇聚计算机、神经生物学、心理学和临床方面的深厚专业知识。( 3 )鼓励神经科学家、计算机科学家、数学家、统计学家和其他研究人员共同探寻在大数据组织与分析方面取得进步的重大机会。( 4 )制定鼓励研究人员运用并协调现有数据库和其他资源的策略。( 5 )鼓励研究人员、企业和非营利机构开发新的数据分析产品和服务,鼓励通过公私合作促进科研成果转化。 二、认识并治疗脑疾病、脑功能障碍和脑损伤 神经科学研究进展迅速,为认识和治疗脑疾病、脑功能障碍和脑损伤带来了新机遇。对致病机理认识的增加正在改变科学家和医疗工作者诊治这些疾病的能力。 挑战在于 :一是建立以神经科学为基础的疾病分类,以改善脑功能障碍治疗。目前脑功能障碍的分类主要依据临床特征,而科学证据表明,精神性障碍、神经性障碍、发育性障碍和药物滥用失常或许有一些共同的生物机理。将这些生物机理信息应用于疾病分类,可以改善疾病诊治,在疾病演变过程中尽早干预,并最终改善预判。二是开发生物标记及评估工具。生物标记对于早期诊断、患者分类、疾病恶化过程与治疗情况观察十分关键,但患者的异质性和脑功能障碍症状量化指标的缺乏使生物标记发现工作一直很难前进,这项工作必须加快。三是认识并征服血脑屏障。血脑屏障保护脑不受生物和其他不利物质的伤害,但也会限制许多可能有益的治疗物质进入大脑。 重点 建议 :( 1 )在神经科学部际工作组下成立一个工作小组,以建议如何将当前的神经生物学信息用于脑功能障碍分类。( 2 )发动相关部门开展合作,以统一各种临床研究工作中的公用数据元,集成各种大型临床数据集信息,并在法律允许的前提下鼓励广大研究界共享临床数据。( 3 )在神经科学部际工作组下成立一支工作小组,纳入相关部门人员和外部专家,以评估各部门的生物标记工作,同时汇总并提炼出最佳实践指南。( 4 )通过专题研讨会和其他合作机制鼓励研究界和相关部门确定最有希望让治疗物质穿过血脑屏障的策略。 三、认识并优化环境与脑在整个生命历程中的相互作用 从饮食习惯到物质环境、社会关系,有许多因素影响脑与认知功能。要开展基础研究,以认识决策、学习等高级功能背后的基本神经机理,并判定其与复杂的社会和环境如何相互作用。 挑战在于 :一是认识并促进脑的适应性与恢复。营养不良、灾害、生态系统变化、环境污染、危险的工作条件、不利的生活事件等应激因素均可能引发不同的有害结果。二是认识并优化学习。神经科学十分关注学习和教育,但是仍然缺乏实证应用。鉴于学习对于适应能力的重要性,特别是教育对于人类社会成功的重要性,增进对学习过程与神经科学的深入认识势在必行。 重点建议 :( 1 )针对从事脑与行为反应、适应性和恢复研究的广泛科学群体,制定加强跨部门合作、协调和支持的机制。近期和中期目标应包括,确定优先研究重点和跨部门举措能产生重大影响的领域,建立相应的公私合作关系、沟通策略和资助策略。( 2 )针对自我控制和应激反应制定跨部门研究目标。( 3 )通过跨部门研讨或联合资助,协调联邦机构的工作,并注重学习与技能获取的神经科学基础、环境与认知关系的研究方法、生命历程中的脑与认知变化、优化学习的研究方法、新的学习技术。 四、将研究成果付诸实践 挑战在于 :一是促进神经科学基础研究成果的临床应用。从科学发现到临床前和临床试验,整条道路相当复杂,长期维持疗法开发工作需要耗费大量资源。开发用于评估产品安全、效用、质量和性能的新工具和新方法有助于提高临床转化效率。食品和药品管理局的监督管理是产品开发与审批过程中的关键要素。参与研究成果临床转化的部门都能从经验交流中相互受益。二是促进神经科学和认识科学研究成果在教育中的应用。当前,需要加强神经科学与认识科学的研究发现在教学改善策略中的应用,特别要辨识并传播可以投入课堂试验的具体发现。如果加强联邦机构与州、地方和私营组织之间的合作,就能加快辨识有前景付诸实践的研究成果,并更快地制订出评估方法和指标。 重点建议 :( 1 )成立一个工作小组,让相关联邦机构形成合力,促进神经科学研究成果实用化和商业化。这个小组应该包括基础研究和临床研究人员以及从事监管工作的官员,并且应该提出确保治疗方法研发高效的最佳做法。( 2 )会同这个工作小组建立一个可公开获取的联邦资源及信息交换中心,以加快从研究到应用的转化过程,经济有效地通过监管审批程序、及时实现产品化,并且最大程度减少繁冗手续。 五、加强沟通并推动公共参与 挑战在于 :一是改善联邦机构之间的沟通与信息共享。任何一个部门都难以单独包揽神经科学基础、转化和临床研究所需的多元而深厚的专业知识。联邦机关必须共享各自的神经科学资源和计划信息,使现有活动真正发挥作用,避免重复研究。二是改善与公众及所有外部利益相关方的沟通。认识神经性障碍、精神性障碍和药物滥用失常与公众利益息息相关,联邦机构必须告知公众神经科学研究的执行及支持情况。三是探寻潜在的国际合作领域。神经科学部际工作组努力寻找机会扩大神经科学联邦投资的影响,并且某些机会已经得到了国际合作伙伴的认同。例如,欧盟委员会把“人脑项目”列为旗舰项目,而互惠合作会对推进神经科学前沿产生重大影响。四是神经伦理学问题。神经科学部际工作组参与白宫“神经科学计划”,其中就涉及神经伦理学问题。美国总统生物伦理问题研究委员会将就神经科学尤其是“脑计划”所引起的伦理问题向总统提出建议。 重点建议 :神经科学部际工作组应当继续作为汇聚各部门项目官员和高级职员的论坛,使彼此相互了解各自的优先重点,在相关领域加强协调和创新。近期重点工作应包括:( 1 )建立联邦神经科学研究门户网站,汇集联邦政府各部门和跨部门的计划、立项数据库以及项目官员和其他专家信息,以便查阅。( 2 )制定加强有关神经科学研究和脑疾病的公众沟通策略。( 3 )确保整个神经科学领域的政府优先重点纳入联邦部门的规划。
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神秘的黑箱——复杂系统初探
热度 1 maximusd 2016-8-15 17:55
一、什么是复杂,什么是复杂系统? “ Comlpex (复杂)”一词的词根来自拉丁语 plectere ,意为编制、缠绕。中文的“复杂”由“复”、“杂”二词组成,“复”代表多样,重复,反复,具有某种层次嵌套的自相似结构;而“杂”代表多样、破碎,纷乱,具有某种不规则、无序的结构;“复而不杂”、“杂而不复”还不是真正完全的复杂,只有“既复且杂 ” 才是真正的完全的复杂。 从 20 世纪 40 年代开始,科学家们在探索复杂事物时逐渐开始运用系统的概念,提出一般系统论、信息论、控制论,初步建立了系统科学的理论框架。随着科学研究在大脑、昆虫群落、免疫系统、生物进化、经济与社会等复杂领域的不断深入,在 80 年代初期,来自不同学科的数十位科学家汇聚一堂,讨论“科学中涌现的综合”,正式提出复杂系统的概念。 复杂系统是由大量组分组成的一种网络,它不存在中央控制,通过简单运作规则产生出复杂的集体行为和复杂的信息处理,并通过学习和进化产生适应性。复杂系统试图解释,在不存在中央控制的情况下,大量简单个体如何自行组织成能够产生模式、处理信息甚至能够进化和学习的整体。例如,蚂蚁是如何形成复杂社会结构的,免疫系统是如何抵抗疾病的,细胞是如何自组织成眼睛和大脑,经济系统中自利的个体是如何形成结构复杂的全球市场的。 二、复杂系统的核心问题是什么? 涌现和自组织行为是如何产生的。 涌现是系统整体具有,而部分或者部分和所不具有的属性、特征、行为、功能等特性,也可以这么说,涌现是整体大于部分之和的那一部分。涌现是事物组成要素在排列方式上的变化而引起的质变。(讲清楚这个很难。。。在此省略 3000 字) 自组织行为是指系统在不存在内部和外部的控制者和领导者的情况下,自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展,不断提高自身的复杂度和精细度的过程。(讲清楚这个也很难。。。同样省略 3000 字) 总之,复杂系统的核心问题真的是很“复杂”! 三、复杂系统研究的最大挑战是什么? 要想理解、预测或是引导和控制具有涌现性质的自组织系统,就必须有适当的概念词汇和适当的数学。而发展出这样的概念和数学工具在过去、现在和未来都是复杂系统科学研究面临的最大挑战。我们能够发明复杂性的“微积分”吗——一种能抓住复杂系统的自组织、涌现行为和适应性的起源和机制的数学语言?一些科学家的已经开始着手这项宏伟的计划。此外,世界各国纷纷启动了围绕复杂系统的国家科技计划,例如基因组计划、脑科学计划等等。 以脑科学计划为例。时至今日,大脑依旧是人类认知的最大的黑箱。人类大脑大约有 1000 亿个神经元,它们如何连接以及连接错误导致精神错乱或是出现严重的神经性疾病,它们如何产生感知、思维、情感和意识等复杂活动?人类迫切地希望知道:大脑是如何工作的! 复杂系统科学的未来是什么?我想,这个问题的答案与“人类的未来是什么”是一样难以回答?人机对接?人工智能?碳基生命向硅基生命的转化?我也不知道,多看看科幻电影或许会有启发。 不敢远离海岸线,就别想发现新大陆 。朋友们,让我们一起向复杂性的新疆域进发吧! 欲知更多“复杂”的故事,请看《第一推动丛书 综合系列 复杂》,湖南科技出版社, 2011 年出版;同时继续关注我的博客。
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关于脑计划和智能化浪潮的简单思考
热度 1 acthinker 2015-12-5 21:48
【去年底9月写的。最近参加了卓越年会后感觉这一想法正得到更多人的共识。所以把它发到博客上。仅仅是一个简单的思考。这次年会所听到的一些类脑智能的进展已部分超越文章所提的问题了。】 从历史上看,科技研究计划与国家的战略是密不可分的。最早的科技计划,一般与军事和益寿有关,为的是维护江山和延续统治。近代以来,公民社会产生后,西方的科技计划虽也带有部分国防的因素,但是国家层次的科技计划大多数还是基于获得产业战略制高点的角度来考虑的。科技是第一生产力,近代的几次科技革命,其突破都具有一定的特征:广泛的影响力渗透力和显著的提升能力与效率。蒸汽机的发明诞生了现代的工厂和制造业,后期的电力,自动化,计算机,互联网技术的发展,没有一个不是具有全社会影响力的划时代突破,这些新技术都以不同方式催生了新兴的产业,提高了生产的能力与效力,提升了人类的能力和生活方式。因此,站在历史的河流边上,我认为这一次的脑科学计划,应该瞄准一个新的科技革命 --- 智能化革命。 为什么是智能化革命? 21 世纪是生命科学的世纪,这句上个世纪影响了一代年轻人的话正在逐步成为现实。从科技革命的角度看,生命科学将参与推动三个大科技革命: 1 )生物技术革命, 2 )智能化革命, 3 )生物智造革命。生物技术革命目前已经开始,随着基因技术的持续进步,人类认识、管理、生产和改造地球上生命体的效率大幅提高。生物智造将承接 3D 打印技术,掀起另一个制造技术的革命,彻底颠覆人类工厂和产品的方式和形态。这三大科技革命中,与神经科学最相关的是智能化革命。 任何一个大的科技革命需要满足三个条件: 1 )普惠性理论、技术和产品的发现与创造, 2 )对人类生产生活的广泛影响力和渗透力, 3 )重塑人类生产活动的要素配置,显著提升劳动能力与效率。火、造纸术和印刷术、蒸汽机、电、计算机、互联网、无线通信等工具所代表的科技革命均符合上述条件。智能化革命同样符合以上三个条件。问题是,智能化革命可能吗? 答案是:智能化革命已经处于爆发前夜。 目前计算机芯片已经达到约 20nm 的尺度,可以集成几亿个半导体元件;互联网技术进一步发展,大数据,云计算理论和技术有了新的突破;各类感受器和检测器技术发展到一定程度,摄像头扑捉图像的速度和精度都超过了人眼,机器分辨声音分贝和频率也早已超过生物耳朵的尺度,对语音的分析技术也进步很大,运动控制技术和材料的进步使得人形机器人的开发有了长足的进步。但是即使是这样,我们仍然无法将这些部件整合出一个智能水平超过儿童的系统。 为何?这其中最关键的一点 --- 和人的智能类似的智能理论与实现技术,仍然有待攻克。现在从形态、环路、信号传递与控制机制方面对神经系统的认识已经深入到一定层次,在智能的认知上,人类快要走出中世纪的漫漫长夜,像发现牛顿力学和量子理论那样,发现智能的基础理论,并创造智能的实现技术。我相信,这一目标,必定会在未来一二十年做到。 智能化革命的关键理论和技术 智能化革命包括两个方面,智能理论与智能实现技术,这两方面都需要神经科学的突破。尽管我们对神经系统有了很多的认识,但是迄今为止,神经信号的编码、计算,智能的时序与空间实现逻辑,记忆的存储、调取等等方面,最核心的东西依然没有突破。智能理论的三大基础理论点是: 概念 人类的认知活动是以概念作为基础元素的,我们形容名物、传情表意、归纳演绎均依赖于不同的概念。相比之下,计算机计算时却不是以概念作为基础元素的。计算机的整个逻辑系统构建于冯诺依曼逻辑体系之上,通过定义一定长度的二进制字节某种意义来进行信息的存储与分析,但是在存储和分析的时候依然是以字节来进行。这便是人脑和计算机最根本的区别。虽然计算机的运算速度超越人脑很多,但是计算机依然是一个只有分析计算能力而没有智能的机器。那么什么是概念?人脑中的概念是如何形成的?如何在机器中合成概念,并让机器以概念作为分析计算的基本元素呢?概念有内涵和外延,如何让智能系统学会概念的内涵,进而认识概念的外延? 学习 人的认知和学习是怎么进行的,和当前的机器的深度学习差别在哪里呢? 具象与抽象的转换与映射 。。。 智能化革命的学科交叉 纯做神经科学基础研究的人,可能会觉得这些东西的研究非常非常的基础,没有太多的实用价值。因而在向国家申请科学计划的时候,往往通过强调与健康和老龄化的关系,来烘托计划的现实意义。实际上,神经科学的现实意义非常的大,超过历史上任何一项技术。但是神经科学要实现这一宏图,就不能自己玩了。医学是一个交叉学科,他集聚了生命科学,医学,药学,物理学,化学,数学,计算机,互联网,心理学,材料学等基本所有学科的人才。同样的,面对一个认知系统,或者为了创造一个智能化的个体,他所需要集合的人才,也绝对不仅仅是神经科学家。因为现在智能技术的实现不能通过人,或者其它的生物体,现代科技所依托的依然是工厂里制造的电子机器。因此,智能化革命也将要集合机械电子、计算机、互联网,仿生学,基础材料、半导体设计等等其它方面的人才。只有集合这么多的人才,才能进行充分的学科交叉,才能创造一个创新的思想云,进而形成活跃而富有创建的群体性研发活动。
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世界脑计划研究报告暨互联网大脑计划建议
热度 7 liufeng 2015-12-2 23:20
(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, 2013 年 4 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, 2015 年 3 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, 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 是 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 的 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 文 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 5 到 10 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 ;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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脑计划:混淆着大工程与大科学这两个概念
热度 3 mindputer 2015-11-30 11:49
脑计划,是大工程?还是大科学? 这个问题很重要 ,但很少有人在乎它。 关键是看 基础科学研究的成熟度 ; 运载火箭是大工程的典范,基因组计划也是典范; 它们都是建立在成熟的物理学和分子生物学基础之上的。 看看现在的认知科学和神经科学的研究, 都远远没有达到成熟的基础科学的程度。 如果把脑计划按大工程去组织,等于是儿童搞卫星发射; 如果把脑计划按大科学去组织,也就是多几个孩子玩烟花。 前者就是“欧盟人类脑计划”,马克拉姆的大跃进方案 ; 后者就是“美国的脑图计划”,比较谨慎和留有余地。
个人分类: 脑计划 神经科学|2647 次阅读|3 个评论
双脑计划
热度 2 bulaoren 2014-4-22 11:50
418 双脑计划启动日 2014 年4月18日定于双脑计划启动日,这一天是我生命中重要的日子,希望这一天能记入历史。为什么定于4月18日呢?4的附音是死的意思,也就是说我一直到死为止,坚持研究双脑计划,1代表在启动双脑计划时,我只有一个人,8的附音是发,代表这一天为双脑计划而出发,奋发图强。我想表达的意思是:我要研究双脑计划到死为止,双脑计划是我一个人在2014年4月18日发起的。现在正值我生命力最为旺盛,知识极为渊博,生活毫无压力,思维极为灵敏,极度欲望为自己延长生命,为人类创造奇迹,并要引领人类进行第六次科技革命的背景下启动的。 双脑计划 双脑计划中的双脑是指人脑和机械脑,双脑计划:是指对人脑的形成 . 进化 . 遗传 . 结构和如何运行的研究,掌握其规律,找到控制其方法,使人变的更加聪明,并大大的延长了人的寿命,一直到永存。同时进行机械脑的研究,机械脑是由处理器群和网络技术组成,通过仿生人脑工作的研究,使机器变的和人一样聪明,甚至比人更加聪明。把机械脑研究的方法用来辅助人脑的研究,也可以通过对人脑的研究,来完善机器脑,它们之间是相互促进,相互完美的过程。也可以把人脑和机器脑组合在一起,产生人和机器相结合的大脑,使人变成超人;也可以把人的记忆提取出来,移植到机器脑上,这样你的人体不存在啦!但你的复制机器人还存在,等于你还活在。 加盟电话 15397392972 qq2420381481 邮箱2420 381481@qq.com
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不能仅以SCI作为未来"脑计划"的产出
热度 3 rongqiaohe 2013-11-17 22:42
2013 年 4 月 2 日,奥巴马宣布投入巨资启动 “ 脑计划 ” ,这是继人类基因组计划之后又一项针对人类自身难题的重大研究计划。该计划旨在通过 创新的神经技术 加强对人脑的认识。而 这些技术与未来的相关产业相联系 。可想而知,我们在未来又要从美人的手里,购买多少技术和仪器,还有技术与方法操作所需的大量试剂等等。 值得注意的是,美国政府在人类基因组工程上的投入是三十八亿美金,产生了七千九百六十亿的经济影响,给美国创造了三十一万个新的就业机会,而且效益还刚刚开始 。 大家都知道,我们离开了国外的试剂公司和仪器公司,我们的许多科学研究就将瘫痪、崩溃,甚至倒退到文革时期。那么,美国人的基因组计划从谁的身上赚走了钱?从我们国人手上赚走了多少钱?值得我们深思和计算。 因此,我们的“脑计划”一定要接地气,与医学临床等领域相结合,与未来的相关产业相结合,发明新技术,制造新产品,从而产生经济效益。如果我们仅以 SCI 论文作为“脑计划”的产出,没有新方法、新技术、新产品的产出,我们就必将继续做美国人“脑计划”成果与产品的用户,继续给美国人送钱,而且送更多的钱。 参考文献 奥巴马宣布启动重大研究计划: “ 脑计划 ” http://www.most.gov.cn/gnwkjdt/201305/t20130506_105693.htm 人类基因组工程给美国赚了多少钱? http://www.biotech.org.cn/news/news/show.php?id=88950
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脑计划确实另有他用
jiangyongshuai 2013-7-2 19:42
在之前曾经提到,脑计划不仅仅是为了医疗健康,更重要的是开启一种技术变革。 这点已慢慢显示出来,计划本身也这样提到: The Human Brain Project Blue Brain’s success in modeling the rat cortical column has driven the development of the Brain Simulation Facility and has demonstrated the feasibility of the project’s general strategy. But, this is only a first step. The human brain is an immensely powerful, energy efficient, self-learning, self-repairing computer. If we could understand and mimic the way it works, we could revolutionize information technology, medicine and society. To do so we have to bring together everything we know and everything we can learn about the inner workings of the brain's molecules, cells and circuits. With this goal in mind, the Blue Brain team has recently come together with approximately 87 other European and international partners to propose the Human Brain Project (HBP) , which was selected as one of two EU FET Flagships. The HBP team will include many of Europe’s best neuroscientists, doctors, physicists, mathematicians, computer engineers and ethicists. The goal is to build on the work of the Blue Brain Project and on work by the other partners to integrate everything we know about the brain in massive databases and in detailed computer models. This will require breakthroughs in mathematics and software engineering, an international supercomputing facility more powerful than any before and a strong sense of social responsibility. Experimental and clinical data is accumulating exponentially. Computers powerful enough to meet the project’s initial requirements are already here. As technology progresses and the project discovers new principles of brain design, it will build ever more realistic models. The benefits for society will be huge, even before it achieves its final goals. The HBP’s thirst for computing power will drive the development of new technologies for supercomputing and for scientific visualization. Models of the brain will revolutionize information technology, allowing us to design computers, robots, sensors and other devices far more powerful, more intelligent and more energy efficient than any we know today. Brain simulation will help us understand the root causes of brain diseases, to diagnose them early, to develop new treatments, and to reduce reliance on animal testing. The project will also throw new light on questions human beings have been asking for more than two and a half thousand years. What does it mean to perceive, to think, to remember, to learn, to know, to decide? What does it mean to be conscious? In summary, the Human Brain Project has the potential to revolutionize technology, medicine, neuroscience, and society.
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由“脑计划”引发的思考!!!
热度 13 liuhuan0216 2013-5-24 13:17
上世纪的“国际人类基因组计划”不知道当时有多少人看好这个计划?不管当初有多少人看好,有多少人反对,反正今天的基因组研究已经是生命科学绕不开的节点,并且已经渗透到人们的生活之中,如遗传疾病检测,生物育种等在健康医学和农业生产中的应用。 最近美国又发起了“推进创新神经技术脑研究计划”(简称“脑计划”),这个“脑计划”同样也是有人支持有人反对。本人对这些大科学大计划还不具有评论的资历,但却可以看看老前辈们的评论: 下文为同济大学中国科技管理研究院副院长所写: “推进创新神经技术脑研究计划”(BAM,简称“脑计划”)是什么样的?可以与基因组计划相比吗?与欧盟委员会推出的人脑工程的区别是什么?带着这些问题,笔者近日采访了这项计划的科学家,一探其究竟。   不久前,美国白宫公布了“推进创新神经技术脑研究计划”(BAM,简称“脑计划”)。这项研究最终可以极大地拓展人们对人类大脑健康和患病状态的认知。“脑计划”预计将在10年内投入30亿美元,堪称又一个“人类基因组计划“(HGP)。美国总统奥巴马在2013年初的国情咨文中表示,这项计划将让科学达到一个自从太空竞赛以来从未见过的高度。巧合的是,BAM与奥巴马(OBAMA)中间三个字母一样,也许奥巴马因此可以在史册上留下更深的印记。   大科学计划已让美国颇受裨益。2012年12月19日,阿波罗登月计划整整完成40周年,它对人们生活的改变人人都深刻体会到。从20世纪70年代的袖珍计算器,80年代的家用电脑和互联网雏形,90年代的万维网到21世纪的视频流和社交网络,无一不是由阿波罗计划推动出现的新型微电子技术所引领的。可以说,阿波罗计划正是这场始于上世纪70年代的信息经济时代的前奏。与之并称“20世纪人类三大科学壮举”的人类基因组计划,于1990年启动,2003年完成,共花费38亿美元,截至2010年已为美国带来8000亿美元的回报,投入产出比为1:140,其长远影响更无法估量。它对医疗健康、农业、环境、能源等多个领域所带来的根本性创新,让我们似已听到生物经济时代的序曲。   回想上世纪90年代,几位在美国学习工作的中国科学家为建议国家参与人类基因组计划,毅然回国,几经上书,均遭到国内科学家一致反对。反对的理由是:中国还处于追赶阶段,经济基础薄弱,既然该计划最终完成的基因组图谱将公之于众,中国不必投入巨资参与该计划。其实,当时英国在决定参与人类基因组计划时,也有过类似的反对声音。英国Sanger研究所曾热议“buy one or get one free”(指亲自投入经费参与HGP还是等待免费公开的基因图谱),结论是:“没有免费的午餐”,英国必须参与其中才能感知和学习新科技进展,捕捉新科技进步带来的机遇。其实,这个道理简单得如同做数学题,只有懂得演算过程,才是真正掌握知识,仅仅知道答案是无济于事的。   本来就已下定决心,又受英国人启发,这几位科学家毅然决定自筹资金参与,并拿到了1%的任务。13年过去了,如今这家机构已经成长为世界第一的测序机构,数据产出量占到全球的50%。2012年底,该机构的CEO被《自然》杂志评为“影响世界科技进展的十大人物”。2013年初,这家机构又先后被美国主流媒体《快公司》评为“中国最创新企业10强”;麻省理工《科技创业》评选“世界最创新企业50强”,2013年榜单中只有两家中国机构:一家是腾讯,另一家就是它华大基因。   在庆幸中国还有此机构的同时,我们是否应该反思中国失去了什么?由于我们没有更加积极、更大力度地从国家层面参与人类基因组计划,这些年付出的代价是什么?反思历史,不是为了责备,而是更加清醒地认识过去,更好地把握未来,不犯重复的错误。   仅以新药开发为例。早有研究显示,自1950年至2010年,新药开发的投入产出效率迅速下降,研究者将药物开发面临的困境以“倒摩尔定律”表示,取名“Erooms Law”,就是把摩尔定律的英文名倒序拼写(注:Moores Law,即每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度)。跨国药业巨头们及早地清醒过来,将这一规律称为“专利悬崖”,并预计自2008至2015年,国际各大药企在专利药上的收入会大幅锐减,因此纷纷开始转型,并投入巨资研发与基因相关的药物。   迄今为止,诺华、罗氏、辉瑞等全球排名前20位的跨国药业巨头已有19家与华大基因建立了战略合作关系,共同研发与基因相关的新药。资料显示,自1990年HGP启动,“基因—药物关联种类数”已逐年递增,尤其值得注意的是,其递增的幅度与基因测序技术的改进和效率的提高密切相关。   我国自2007年确立“新药创制”这一重大专项以来,业绩乏善可陈,有专家形象地评价它:“原本想造几颗原子弹,没想到造了几颗手榴弹,还有几颗是哑弹!”至2012年底累计获得新药证书62件,其中1类新药12个;总产值12.4亿元。而截至2012年底,新药创制专项共立项1251个课题,国家和地方共投入300亿元,其中中央财政共投入97亿元,地方配套41亿元,带动企业投入193亿元。如果加上“转基因”和“传染病防治”这两个生命科学和生物技术相关的重大专项,粗略估计国家地方投入近千亿元。   华大基因从1999年创办,至今市场估值约为百亿元。若按照当初参与HGP时国家投入经费5000万元测算,经济产出比为1:200,其带动的产业、培养的人才、产生的深远社会影响还未计算在内。试想,如果我们当初更积极地参与人类基因组计划,在基因组科学和技术领域及早布局并加大投入,就会早一些认识到基因组科学和技术对于生物医药、医疗健康、转基因农业等这些领域重大而深远的影响,就会早一些认识基因技术与药物开发的关联趋势和药物开发的困境,就会少走一些弯路,和发达国家的差距拉近一些。   创新理论研究者用“锁定在外(lockout)”来解释这种现象,是指当科技发展的路径产生重大转折时,如果不能及早参与、紧密接触新科技的进步,紧跟其步伐,不断学习和吸收新产生的知识,就会产生被“锁定在外”的效应,进而距离越拉越大,很难追赶。从另一个角度来看,那些被“锁定在外”、并逐渐被新科技进步的浪潮淘汰的组织,正是因为在原有技术路线上的“路径依赖”。已破产的柯达、日益衰落的诺基亚都是鲜活的企业案例。   2011年刘延东同志在视察华大基因时曾指出:“党和国家对华大基因这样的新型机构及他们所从事的事业,不仅要理解、支持,还要加以保护。”的确,中国不能只有一个“华大”。理解华大,是为了理解基因组学、生命科学的规律和趋势,及其对未来生物经济深远的经济和社会影响。支持华大,是为了支持生命科学、生物技术和产业的创新,为跨越发展扫清障碍、铺平道路。保护华大,更是为了中国在生物经济发展呈现重大战略机遇时,保护和包容创新的“新苗”,减少“路径依赖”,不被“锁定在外”,让更多突破性、根本性创新涌现和成长起来。唯有此,才是中华民族复兴崛起、实现“中国梦”的真正希望所在。
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