演講實(shí)錄丨吳朝暉院士：從AI到CI——腦機(jī)智能的發(fā)展

二氧化硅2012 2021-09-11

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來源：中國人工智能學(xué)會

原創(chuàng) ：CAAI

作者：吳朝暉院士

吳朝暉

中國科學(xué)院院士

浙江大學(xué)校長

IEEE/CAAI/CCF/CAA Fellow

以下是吳朝暉院士的演講實(shí)錄：

21世紀(jì)被稱為“腦研究世紀(jì)”，伴隨著腦科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的興起，特別是神經(jīng)科學(xué)與各種工程技術(shù)的多元融合發(fā)展，腦與機(jī)的界限被逐步打破，進(jìn)而推動產(chǎn)生了腦機(jī)智能這一新型智能形態(tài)，這也使得信息科學(xué)與生命科學(xué)得以相互滲透、相互融合，為實(shí)現(xiàn)腦與機(jī)的雙向交互、協(xié)同工作及一體化提供了可能性。面對從人工智能到腦機(jī)智能的發(fā)展進(jìn)程，迫切需要進(jìn)一步明晰人工智能發(fā)展現(xiàn)狀、腦機(jī)智能的內(nèi)涵外延及未來發(fā)展趨勢等關(guān)鍵性問題。

一、人工智能的發(fā)展現(xiàn)狀

在國家競爭層面，人工智能正成為各國戰(zhàn)略必爭的領(lǐng)域，幾乎所有的發(fā)達(dá)國家均已發(fā)布了人工智能戰(zhàn)略。我國在2017年發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，并啟動了《促進(jìn)新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計(jì)劃（2018-2020年）》，開啟了對于人工智能發(fā)展制高點(diǎn)的戰(zhàn)略角逐。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展層面，人工智能成為了企業(yè)特別是ICT企業(yè)跨越發(fā)展的戰(zhàn)略增長點(diǎn)，如百度、阿里、騰訊、華為、微軟、Google、Facebook 等中外企業(yè)都提出了人工智能發(fā)展戰(zhàn)略，不斷挑戰(zhàn)和戰(zhàn)勝人類智慧的極限，將人工智能的研究成果從傳統(tǒng)領(lǐng)域推向新型領(lǐng)域。以Google 的DeepMind 為例，Google將AlphaGo以深度神經(jīng)元為代表的智能系統(tǒng)等思路運(yùn)用到蛋白質(zhì)序列預(yù)測中，使得人類可以通過AI算法甚至是深度神經(jīng)元算法預(yù)測未來新物質(zhì)。這就將人工智能的影響力從傳統(tǒng)的棋律對弈過程轉(zhuǎn)到了生命科學(xué)領(lǐng)域。

在學(xué)者研究層面，人工智能成為眾多科學(xué)共同研究的領(lǐng)域，代表著科研創(chuàng)新的重要研究方向。圖靈獎獲得者M(jìn)arvin L.Minsky于1969年就提出了用一種框架來進(jìn)行人工智能的知識表達(dá)；人工智能科學(xué)家Allen Newell 認(rèn)為，物理符號系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通用的智能活動；2019年圖靈獎?wù)逩eoffrey Hinton認(rèn)為，理解大腦運(yùn)作方式是未來人工智能發(fā)展的一個重要方向；2021年圖靈獎獲得者Judea pearl認(rèn)為，智能系統(tǒng)面臨的不是確定性問題，而是不確定性問題。

自“人工智能”這一術(shù)語在1956年被首次提出至今，人工智能研究已成為具有廣泛共識的交叉領(lǐng)域和前沿科學(xué)?？v觀人工智能發(fā)展的60多年，雖然學(xué)者們的研究側(cè)重點(diǎn)各有不同，但相關(guān)研究觀點(diǎn)大體可以分為以下三個學(xué)派：一是符號主義，強(qiáng)調(diào)用符號的表達(dá)方式研究智能問題，特別是知識表達(dá)問題和知識推理問題；二是連接主義，主張以腦的神經(jīng)系統(tǒng)研究智能問題，如用Union Networks來模擬智能，特別是模擬感知中的感知智能；三是行為主義，以認(rèn)知心理學(xué)和控制科學(xué)等手段和方法論，對人類的行為進(jìn)行模擬，認(rèn)為人類的行為就是智能的表現(xiàn)。

從研究成效看，三大學(xué)派都豐富了人工智能的發(fā)展理論，解決了人工智能的推理、感知、人的行為等若干實(shí)現(xiàn)問題，均遵循以機(jī)器為中心的研究視角，不過正因?yàn)檫@一研究視角，讓人工智能的發(fā)展存在諸多局限性。如有人工智能學(xué)者認(rèn)為，這幾年人工智能的發(fā)展主要是大數(shù)據(jù)發(fā)展的結(jié)果，多數(shù)計(jì)算模型較多依賴于數(shù)據(jù)，讓機(jī)器智能呈現(xiàn)出以下不足：一是計(jì)算存在局限性；二是模型的復(fù)雜程度高；三是過度依靠數(shù)據(jù)。

針對這些不足，引入人類智能成為一種必然選擇。人類大腦是智慧和信息的載體。粗略估算，人類大腦中約有1000億個神經(jīng)元，和宇宙中的星球數(shù)量相當(dāng)。在漫長的人類進(jìn)化歷程中，腦的進(jìn)化體現(xiàn)了生命的奇跡。根據(jù)神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)的研究成果，腦的單個神經(jīng)元通過處理和傳輸其信號，可以替代大腦的部分功能。更為難得的是，人腦體現(xiàn)的不是單個神經(jīng)元、一組神經(jīng)元、100個神經(jīng)元或者1萬個神經(jīng)元簡單加總的功能特點(diǎn)，而是幾百個神經(jīng)元組成一個功能組，若干個功能組組成集群?？梢姡祟惔竽X的功能，不只是單個神經(jīng)元的作用結(jié)果，而是神經(jīng)元的組織與群體所形成的功能。

在腦科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中，信息技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，特別是20世紀(jì)90年代以來，信息技術(shù)的突破形成了一系列觀測人類大腦的方式，讓腦科學(xué)研究取得了關(guān)鍵進(jìn)展。如人們可以長時(shí)期、多通道對活體大腦進(jìn)行記錄，這為從神經(jīng)元到神經(jīng)群體的研究跨越，以及大腦區(qū)塊、區(qū)塊鏈連接等研究提供了有力支撐。21世紀(jì)初以后，腦機(jī)接口的出現(xiàn)，促成了對活體神經(jīng)控制研究的系列突破。運(yùn)用信息技術(shù)觀測人類大腦成為了腦科學(xué)研究的普遍范式。

可以說，人機(jī)混合是大勢所趨。將人引入智能系統(tǒng)并作為該系統(tǒng)的重要組成部分，可以解決以機(jī)器為中心的缺陷，有望充分融合機(jī)器智能和人類智能的優(yōu)點(diǎn)。

二、腦機(jī)智能的基本內(nèi)涵及其應(yīng)用前景

從字義解釋，腦機(jī)智能意味著“腦”和“機(jī)”形成循環(huán)，電腦從生物腦中讀取和解釋神經(jīng)信號，即通過系統(tǒng)進(jìn)行解釋、處理、再解釋、再處理，并通過外部信號重新輸入，以此來干預(yù)生物腦。以腦機(jī)接口為例，腦機(jī)智能加快從原來的人機(jī)接口轉(zhuǎn)為腦機(jī)接口的進(jìn)程。人機(jī)接口指通過鍵盤、人類視覺以及其他行為來形成人和機(jī)器的接口，而腦機(jī)接口指通過植入式和非植入式方式將腦和計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行對接。因此，腦機(jī)接口提出了人機(jī)交互的新路徑、新方式和新手段，為腦機(jī)融合的智能形態(tài)提供了一個信息通道，形成了一個雙向的閉環(huán)回路和循環(huán)系統(tǒng)。

在紀(jì)念圖靈誕辰100周年時(shí)，Nature雜志曾發(fā)文指出，未來人工智能的一個重要發(fā)展方向就是腦機(jī)融合、協(xié)同工作，它是實(shí)現(xiàn)人工智能的一個重要途徑。我們認(rèn)為，腦機(jī)融合的智能是代表著未來人工智能的新業(yè)態(tài)，有望成為兼容生物智能體的環(huán)境感知、認(rèn)知機(jī)理、學(xué)習(xí)推理能力和機(jī)器智能體的信息整合、存儲計(jì)算能力的智能形態(tài)。基本內(nèi)涵是從腦出發(fā)，采用人的信息處理方式構(gòu)建一個虛擬腦，借助腦機(jī)交互實(shí)現(xiàn)生物腦、虛擬腦以及人機(jī)智能融合乃至一體化的過程。國內(nèi)學(xué)術(shù)界和實(shí)務(wù)界普遍認(rèn)同該內(nèi)涵界定，如《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中的混合增強(qiáng)智能就來源于此，“腦科技計(jì)劃”將腦機(jī)智能作為五大發(fā)展板塊之一。

目前，用信息技術(shù)手段來連接生物腦的手段日益豐富，讓生物腦和計(jì)算腦相互融合成為可能。如在2020年，馬斯克的腦機(jī)接口公司Neuralink發(fā)布消息稱，可通過微創(chuàng)手術(shù)的方式，將微型可植入的神經(jīng)芯片、超細(xì)的電極限植入豬腦，從而控制豬的行為。

腦機(jī)智能既代表著科學(xué)前沿，又形成了顛覆性技術(shù)的集聚效應(yīng)。在腦機(jī)智能的發(fā)展過程中，往往在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的同時(shí)，也伴隨著一系列前沿顛覆式技術(shù)的突破，如微細(xì)絲的電極、猶他陣列電極、記憶神經(jīng)假體、神經(jīng)擬態(tài)芯片、柔性多通道的信息獲取器件等。沒有這些顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)，腦機(jī)智能的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)問題將不可能得以解決。

就腦機(jī)交互而言，腦機(jī)智能可以實(shí)現(xiàn)感知增強(qiáng)、認(rèn)知增強(qiáng)和行為增強(qiáng)，即可以通過腦機(jī)智能的手段使得原來的智能形態(tài)在感知方面、認(rèn)知方面和行為方面得到提升。如在猴子的溫度感知部分功能失效的情況下，可以通過腦機(jī)智能的方式對其進(jìn)行重建，甚至可以進(jìn)行認(rèn)知重建、行為增強(qiáng)。

正是因?yàn)檫@些功效，腦機(jī)智能在人類健康等方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。如我國肢體殘疾人比例高，人口老齡化以及老年失能群體不斷增加，腦機(jī)智能可以提供全新技術(shù)，有望為千萬億級的殘疾人、老年失能者的神經(jīng)康復(fù)、億級以上的神經(jīng)/精神疾病患者進(jìn)行精準(zhǔn)腦機(jī)干預(yù)提供解決方案。

三、浙江大學(xué)腦機(jī)智能研究實(shí)踐

浙江大學(xué)開展腦機(jī)智能研究已有十幾年歷史，自2018年起實(shí)施了“雙腦計(jì)劃”，旨在從更新的角度來推動腦科學(xué)和人工智能的交叉研究。我們認(rèn)為，人工智能未來的發(fā)展必然基于腦科學(xué)，同時(shí)腦科學(xué)的發(fā)展必須借助于信息科學(xué)，包括人工智能等方法和手段。因此，將這兩個學(xué)科群進(jìn)行對接和交叉非常必要。從腦科學(xué)角度，可以從腦出發(fā)，結(jié)合一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)，探索腦的結(jié)構(gòu)、功能、認(rèn)知和意識等方面的進(jìn)程。從人工智能角度，可以以數(shù)學(xué)邏輯控制為手段，完成這對腦科學(xué)研究更好的操作。

總體而言，浙江大學(xué)的腦機(jī)智能研究工作主要以腦神經(jīng)科學(xué)為基礎(chǔ)，并同時(shí)開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究，包括觀測、調(diào)控、神經(jīng)計(jì)算等技術(shù)和腦機(jī)平臺等。經(jīng)過十幾年持之以恒的努力，浙江大學(xué)的腦機(jī)智能研究已經(jīng)取得了一系列重要進(jìn)展。

第一，形成了全球最齊全的腦機(jī)融合三大平臺。2013年，完成了國內(nèi)首例臨床猴子大腦運(yùn)動皮層解碼，呈現(xiàn)了勾、握、抓、捏等手勢。2014 年，完成了國內(nèi)首例臨床病人頭顱皮層解碼石頭剪刀布。2020年初，完成了國內(nèi)首次也是國際上首例高齡病人的腦機(jī)智能臨床實(shí)驗(yàn)，以嵌入式的腦控機(jī)械來控制三維運(yùn)動。從技術(shù)角度，該實(shí)驗(yàn)主要是對感覺皮層M1和M4進(jìn)行解碼，解碼后再通過Easy card完成。

第二，進(jìn)行了開創(chuàng)性的大腦觀察工作。在國內(nèi)首次在CT核磁共振上融合光、電、聲等六種形態(tài)，通過侵入式和非侵入式的方式，讀出腦的控制行為，這就意味著可以邊觀察、邊干預(yù)腦信號的變化。同時(shí)，可以在CT觀測的基礎(chǔ)上，借助光電成像、光電控制、電極陣列等技術(shù)，通過附加相應(yīng)設(shè)備刺激腦，從中看到腦的變化。

第三，神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算機(jī)研制不斷取得突破。在2015年推出的達(dá)爾文第一代神經(jīng)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，推出了神經(jīng)擬態(tài)芯片。在2019年，推出了達(dá)爾文二代，這款芯片可以同時(shí)模擬15萬個神經(jīng)元。在2020年，研制了億級別神經(jīng)元的神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算機(jī)——類腦計(jì)算機(jī)，神經(jīng)元數(shù)能達(dá)到1.2億，突觸數(shù)量720億，神經(jīng)芯片接近800顆，是國內(nèi)國際神經(jīng)元數(shù)量最多的一臺類腦計(jì)算機(jī)。

2012年，浙江大學(xué)做過一個實(shí)驗(yàn)，通過將視覺攝像頭加載在大鼠身上，控制大鼠的行為。大鼠的胡須很敏感，但視覺很差，實(shí)驗(yàn)中的大鼠可以通過攝像頭識別某個人或者路標(biāo)，識別過程用機(jī)器完成，完成后信號傳到大鼠的運(yùn)動皮層，驅(qū)動大鼠是否按照標(biāo)志走。由此可見，通過視覺增強(qiáng)的手段，可以使大鼠的視覺能力得到較好的提升。這個工作也同樣可以推廣到更加復(fù)雜環(huán)境下的偵探、探索以及目標(biāo)尋找。

同樣，浙江大學(xué)胡海嵐教授團(tuán)隊(duì)做過一個實(shí)驗(yàn)，采用光遺傳的方法將光電植入到一個小老鼠孔距的大腦皮層，使弱小的老鼠迅速鼓足勇氣，從而可以戰(zhàn)勝大老鼠。一般情況下，弱小老鼠在和大老鼠對峙過程中會比較膽怯，但將光電植入到小鼠的內(nèi)側(cè)前額葉區(qū)的神經(jīng)元（該神經(jīng)元主要控制其情感），并點(diǎn)擊弱小老鼠的皮層，會發(fā)現(xiàn)小老鼠如同服了“大力神丸”一樣，勇氣倍增，瞬間就可以把大老鼠推過去。

此外，浙江大學(xué)還做了另一項(xiàng)探索，將老鼠的胡須、眼睛蒙起來，再通過電腦方式刺激它走迷宮。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，老鼠在電腦指導(dǎo)下走迷宮的方式，速度比一般的老鼠要快，這也表明了通過腦機(jī)融合的老鼠，可以表現(xiàn)出更快的學(xué)習(xí)速度。2016年12月，這個實(shí)驗(yàn)登上了中央電視臺《挑戰(zhàn)不可能》直播現(xiàn)場，浙大的一個博士生戴上意念儀器控制大鼠（芯片已植入大腦），指導(dǎo)大鼠走迷宮、爬樓梯，最后成功地完成了預(yù)設(shè)任務(wù)。這是一個典型的通過人的意念，以無線的方式控制一個加載信號的大鼠的案例。從系統(tǒng)角度看，它可以走街道、橋梁、隧道等，體現(xiàn)腦腦之間的交互，也體現(xiàn)了人對場景的認(rèn)知可以加載在大鼠的高級認(rèn)知上。

從科學(xué)角度，腦機(jī)智能的基本原理是基于大腦的感認(rèn)知功能和機(jī)器的計(jì)算智能單位。如何有效建立腦機(jī)器融合的計(jì)算框架和增強(qiáng)方法是學(xué)術(shù)界研究的主要問題，可以從三個層面來理解。

第一，體系結(jié)構(gòu)問題。其不僅包括機(jī)器的體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)包括認(rèn)知聯(lián)通腦方面的體系結(jié)構(gòu)。

第二，信息交互問題。腦的信息交互方式和計(jì)算機(jī)的信息交互方式顯然不同，如關(guān)于信息交互的方式，在信息層面上有單向信息、雙向信息、回路信息等，在更高層面上還有增強(qiáng)方法等。

第三，學(xué)科交叉問題。腦機(jī)智能是一個多學(xué)科的問題，涉及神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)等。首先是腦的信息獲取，即如何實(shí)現(xiàn)高通量、實(shí)時(shí)性，多點(diǎn)位、穩(wěn)定的腦的信息讀取；其次是新型的材料植入，該材料一定是柔性的、生物兼容的，而且需要對電很敏感；最后是有很多腦信息的編碼，這里將用到很多數(shù)學(xué)知識，同時(shí)有回路干預(yù)解析技術(shù)、多腦區(qū)神經(jīng)回路的精準(zhǔn)解釋，以及融合、多模態(tài)的干預(yù)輸入等，這些都涉及到多學(xué)科問題。

四、對未來腦機(jī)智能發(fā)展的展望

人工智能推動人類進(jìn)入了一個新時(shí)代。有學(xué)者稱之為人機(jī)物融合的時(shí)代，我們的理解是四元空間，即人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等顛覆性科技，將推動人與物理世界的二元空間加速轉(zhuǎn)向人、物理世界、智能機(jī)器、數(shù)字信息世界的四元空間。在交錯并行中，生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系都將重構(gòu)，社會形態(tài)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，以及人類思維方式、生活方式都會發(fā)生巨大變化。

無論我們是否承認(rèn)，今后都會有許多具有某種智能形態(tài)的智能機(jī)器人出現(xiàn)，它們多多少少都會替代人類的體力勞動和腦力勞動。在這樣的背景下，腦機(jī)智能該如何發(fā)展？

我們認(rèn)為，腦機(jī)智能有望在神經(jīng)/精神疾病的診斷、治療、康復(fù)等臨床應(yīng)用領(lǐng)域，引領(lǐng)新的技術(shù)發(fā)展。腦機(jī)信息交互手段將從原來的以電為主，走向電、光、磁、聲等各種手段的綜合。腦機(jī)融合的增強(qiáng)能力將逐步從行為增強(qiáng)到各種感知增強(qiáng)，乃至高級認(rèn)知的增強(qiáng)。腦機(jī)智能技術(shù)研究的硬件將向柔性、無線，以及更加微小化、更加高通量和低功耗方向發(fā)展。

面向未來，腦機(jī)智能將為不同學(xué)科的交叉會聚提供更為成功范例，也將對其他不同學(xué)科的發(fā)展帶來了思路與方法上的啟示，展現(xiàn)了未來智能化生的廣闊空間，將推動人類加速邁向腦科學(xué)時(shí)代。

（本報(bào)告根據(jù)速記整理）

未來智能實(shí)驗(yàn)室的主要工作包括：建立AI智能系統(tǒng)智商評測體系，開展世界人工智能智商評測；開展互聯(lián)網(wǎng)（城市）大腦研究計(jì)劃，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)（城市）大腦技術(shù)和企業(yè)圖譜，為提升企業(yè)，行業(yè)與城市的智能水平服務(wù)。每日推薦范圍未來科技發(fā)展趨勢的學(xué)習(xí)型文章。目前線上平臺已收藏上千篇精華前沿科技文章和報(bào)告。

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