我们如何突破机器智能和人类智能的边界？

本文来自微信公众号：nextquestion（ID：gh_2414d982daee），采访：Aaron，编辑：立夏，Jiahui，EY，原文标题：《追问专访 | 尧德中教授：我们如何突破机器智能和人类智能的边界？》，头图来自：《阿丽塔：战斗天使》剧照

这段时间以来，“元宇宙”的概念引起了大家的广泛关注，未来人类是否有可能将自己的思想上传到云端？《环太平洋》里面超大机器人的控制是否可以实现？人类和机器的融合是否成为可能？

不论是元宇宙还是机甲控制，都离不开大脑信息的传输和解码，数字孪生脑的诞生能让我们以更便捷的方式解码大脑的信息。

在此我们也有幸邀请到了电子科技大学信息医学研究中心主任、四川省脑科学与类脑智能研究院院长尧德中教授接受我们的采访，为我们带来数字孪生脑及类脑研究的相关知识分享。尧德中教授团队完成了中国首个数字孪生脑模型平台搭建。同时按照惯例，尧德中教授也提出了自己最感兴趣的一个问题。我们将在文末公布该问题。

以下为具体采访内容。

尧德中：

全国人大代表，电子科技大学信息医学研究中心主任，四川省脑科学与类脑智能研究院院长，电子科技大学生命科学与技术学院创院院长，神经信息教育部重点实验室主任，神经信息科技部国际联合研究中心，中国生物医学工程学会副理事长，中国脑电联盟理事长

Q：您好，可以为我们介绍下您目前的主要研究领域和方向吗？

尧德中：目前我们实验室的研究主要关注两个新型交叉方向，一个是类脑智能，另外一个是脑器交互。

其中，类脑智能主要是通过模拟大脑神经过程和认知行为过程背后的工作原理，以计算机建模仿真等手段，软硬件协同发展的方式，实现智能科学的跨越式发展，在一定程度上可以说是人工智能的进化体和终极目标。

类脑智能系统在信息处理机制上“类脑”，认知行为和智能水平上“类人”，目标是使机器实现人类具有的多种认知能力及其协同机制，最终达到或超越人类智能水平。我们的另一个研究方向是脑器交互，它是我们在多年脑机接口研究基础上提出的一个新概念，它涵盖以大脑为中心的各种交互形式。

一般来说，大脑与外界的互动可以简单分为两类，一类是与非生命机器、环境的交互，另一类是与有生命的个体或器官、系统的交互。当然，脑器交互也可以根据其功能分为：激活大脑、调节大脑和增强大脑三类。其中包括了大脑与生物器官、非生物器械以及环境之间的各种交互交流。

总的来说，脑器交互不仅仅是整合了之前认为不相关的多个领域，而且为大脑的研究、开发和保护展示了更为广阔的空间，其面临的挑战和孕育的机遇亟需更多科研人员参与，共同推动行业发展。

Q：您觉得类脑研究和真实的人脑研究之间有着怎样的联系和区别？

尧德中：我认为类脑研究与真实脑研究之间是相辅相成、协同合作的关系。如果将脑科学研究比作一颗大树，那么真实脑研究是这颗大树的树干，是基础；而类脑研究则是树上错综复杂的树叉和树枝，是全面认识脑、理解脑的必要组成部分。

其中，对真实大脑的实验研究，包括探索脑神经和认知行为机制、深入揭示脑结构和功能原理，可为类脑研究提供牢固的实验基础和参考。另一方面，类脑研究则以借鉴人脑处理信息方式为目标，模拟大脑神经系统，发展新型软硬件技术，构建以数值计算为基础的虚拟超级脑，为真实脑研究提供了更广泛、更全面的理论支持与假设，反过来也有助于推进真实脑研究的发展。

类脑研究和真实脑研究是一个正反馈迭代过程，它们的相互促进有望在可见的将来，促成脑科学与智能科学的双重突破与创新。

Q：作为类脑研究的重点，首个数字孪生脑构建过程中曾遇到哪些挑战？

尧德中：在我们构建数字孪生脑的过程中，思考最多的是如何构建，和在多大程度上体现“孪生”。当然，我们希望构建的数字孪生脑，能尽可能逼真地模拟真实大脑的功能与活动模式。

实际上，大脑是世界上最复杂的系统，以现有的技术很难把大脑的所有细节和功能都刻画出来，这里面主要有两方面的原因：一方面是构建这样具有相对完备生物细节的脑模型所需要的微介观尺度神经大数据规模超大且匮乏，另一方面模拟具备完整生物细节的全脑所需计算力也是巨大的。这些因素决定了目前在微介观尺度上对人脑进行重构、并开展高精准模拟的条件尚不成熟，我们认为这也是欧盟脑计划（HBP）未获巨大成功的重要原因。

为此，面对现实，确定构建什么精细程度的大脑，且能高效经济地模拟大脑的主要功能是我们面临的挑战之一。在我们前期的研究中注意到人脑的许多高级功能都是宏观尺度上的神经过程的结果，为此，我们选择从宏观尺度入手，在宏观层次建立全脑计算模型，有效地避免了上述提到的挑战。

我们面临的第二个挑战是，如何保证我们构建的数字孪生脑在所定尺度上是逼真且有效的——它即可以表现出大脑中的真实连接结构，又可以表现出实际的大脑功能状态。为此，我们综合利用了不同空间尺度和不同时间尺度的多模态神经成像数据，并结合结构-功能迭代和解剖学先验等，综合优化数字孪生脑的参数，结果证实我们构建的数字孪生脑可以较好地模拟大脑功能。

在未来的研究中，我们可以进一步整合微介观尺度的数据到现有的模型中，逐步提高模型的精细化程度，实现对更多大脑生物细节和功能层次的模拟。

Q：类脑研究和数字孪生脑目前研究集中在脑科学的哪个领域？目前有什么比较重要的进展吗？

尧德中：我个人认为，当前的类脑研究和数字孪生脑研究主要集中在脑科学的三个方面。第一是探索人与动物的行为，了解人和动物是如何通过大脑认知世界的，也就是脑科学的认知领域；第二是研究人类脑疾病的发病机制；第三是研究人类的智能行为，借其了解大脑的智能信息过程，也就是探索脑科学中的意识问题。

实际上，近些年来，国内外在数字孪生脑领域均不断取得突破性进展，代表性的工作包括法国Victor Jisa教授团队建立的虚拟脑平台（The Virtual Brain-TVB），他们将癫痫患者的个性化脑模型用于预测癫痫患者疾病的发作与传播，以及术后疗效预测等，也是因此他们的研究团队获得了欧盟脑计划执行以来颁发的唯一一个创新奖。

我们在构建了国内首个数字孪生脑计算平台之后（Digital Twins Brain-DTB），也成功地将其应用于脑机接口信号的研究，开启了脑机接口的“生物脑-数字脑”双脑研究新模式。

Q：类脑智能的研究可以帮助实现真正的人工智能吗？人脑活动是否可以和计算机安全长久地连接？

尧德中：类脑智能是具有高鲁棒性和可解释性的人工智能理论技术，其目的是使机器能够像人一样思考，具有自主意识和“智商”，可以感知和探索世界。这也正是理想人工智能期望实现的终极目标。因此，类脑智能的研究可以帮助实现真正的人工智能。然而，当前类脑智能的研究还处于初级阶段，需要完成从脑认知基础，到类脑模拟和脑机互联等步骤，实现“懂脑、仿脑、控脑”三个阶段性的目标。目前，基于类脑智能的脑科学研究正从传统的认识脑、了解脑向增强脑、影响脑的过程发展，进而完成从“懂脑”到“控脑”的转换。

*高鲁棒性：鲁棒是Robust的音译，意思为健壮和强壮；高鲁棒性指的是系统和网络比较稳健，指的是系统在异常和危险情况下生存的能力。

此外，我们认为人脑活动是可以和计算机建立安全长久连接的。我们可以通过有创/无创手段，例如配戴电极帽或者植入电极的方式，安全有效地采集人脑神经活动。随着脑活动采集软硬件技术的快速发展与高度集成，现在人们已经可以实现无线数据传输，促进脑电采集设备的微型化、便携化发展。

例如，去年8月29日，特斯拉的创始人埃隆·马斯克旗下脑机接口初创公司Neuralink，就演示了最新一代侵入式脑机接口设备（Brain-Computer Interface-BCI），并展示了大脑被植入了该脑机接口的三只小猪。当然，有创脑机接口还有一些关键技术需要发展完善，包括物理上的相容性和生物上的相容性，同时也需要考虑到伦理学问题。

Q：当人的思维可以和计算机完成对接，是否有可能实现记忆的存储和提取？是否可以直接通过脑机接口给予相应的刺激完成感知的输入？

尧德中：我们认为，脑机接口就是人的思维和计算机的初步对接，是理解人思维的重要一环，是“懂脑”和“脑控”阶段，是实现记忆存储与提取的第一步。但要实现记忆的存储和提取，我们还需要结合真实脑研究、数字孪生脑研究和类脑智能研究，深度解密记忆奥秘，最终完成“仿脑”和“控脑”，实现记忆的存储与提取。目前已有通过脑机接口的感知觉刺激输入，这本质上就是“控脑”的一种形式，是“控脑”最直观的实验表现。当然，从目前人类已掌握的技术和知识看，实现这一目标还有很长的路要走。

Q：未来10年，您觉得类脑研究会迎来什么样的突破？是否会有突破性的进展？

尧德中：当前，类脑研究需要在模型结构和理论实践上实现双重突破。

首先，在模型结构上，随着脑影像技术的发展，真实脑研究将剖析出精细化的全脑结构，提高类脑模型的复杂性和全面性。

其次，理论上基础神经元模型结构也将实现突破，作为类脑研究的基石，现有的基础神经元模型自上世纪40年代起就没出现过革命性改变，预期在未来10年中，随着对神经元和突触结构的精细认识，基础神经元模型也将迎来新的改变，将会越来越符合大脑活动的运行工作原理。

第三，随着模型结构的复杂化和精细化，类脑模型也将突破现有人工智能效率低、功耗大和通用性差的局限性，实现真正意义的智能。

第四，在实践应用中将迎来计算方式的类脑化突破，通过将大脑的工作运行方式抽象成计算机可以理解的数学模型，构建专门的类脑芯片体系，从而颠覆传统的冯·诺依曼计算系统架构，建立属于类脑时代的新型体系结构、计算方式与智能形态。

Q：您可以为我们畅想下：未来类脑智能会给我们的生活带来怎样的变化？

尧德中：我们认为在不远的将来，类脑智能有可能将为人类带来新型社会文明，将推动产业变革，并深刻改变人们的生产生活方式，这将是一场影响深远的科技革命。下面我就这一问题举一个简单的例子：

1. 未来人们的工作生活将不再局限于真实世界，在虚拟世界中也可以进行交流，实现最近新提出的“元宇宙”构想；

2. 实现数字永生，将思想与记忆上传云端，使意念像在线的幽灵一样，在数字空间中实现永生；

3. 智能伴侣，是未来人们生活的智囊和知己，满足人们感性和理性的精神需求，减少精神类疾病的爆发；

4. 重塑医疗产业，类脑智能技术可以在医疗资源不那么丰富的地方取代人类医生，提供初步诊断或筛查甚至更为重要的医疗服务，解决医患关系紧张问题。

Q：在治疗和干预方面是否也有可能出现家庭式或个人便携式的设备？

尧德中：这也是有可能的。比如已经拿到FDA批准的经颅磁刺激，它是用来缓解抑郁症状的一种物理干预手段，可以期待它的小型化。还有一些电刺激，比如经颅直流电刺激、经颅交流电刺激等等，在实验室里用到的设备本身就很小型化，未来经过反复验证后，也许它可以走进家庭。另外现在很火的声和光刺激，已经有一些证据来表明，给予固定频率的闪光和声音对治疗阿尔茨海默症有一定的作用，而发声和发光在手机上就可以实现，所以可以畅想未来它也是一种方便的干预手段。我们也在尝试其他方式的物理刺激的可行性，我对这个方向的前景还是比较乐观的。

感谢采访过程中尧德中团队电子科技大学教授、博士导师郭大庆给予的支持。

本文来自微信公众号：nextquestion（ID：gh_2414d982daee），作者：Aaron