[ 導讀 ]本講座選自中國科學院神經科學研究所研究員、中科院院士郭愛克老師於近日在“資料與認知——資料後面的科學”高階學術研討會所做的題為《人類大腦在整體上怎樣工作的？》的演講。

郭愛克：當下人工智慧、認知科學、類腦智慧、進化智慧、混合智慧、群體智慧等都非常熱，很多單位都在成立認知科學、腦科學研究中心。

現代科學的發展進入一個新時代，人們一直在思考腦的本質是什麼？智慧的本質是什麼？這是我們科學家要回答的問題，今天,我報告的主題聚焦在智力的演化和選擇上。

一.《演化+選擇》創造了生命世界的多樣性

距今約五億年，是現代生物的開始階段，是地球上現代生命的起源。

生命世界中的一切的一切都植根於演化和選擇。人類大腦不是被設計出來的，它是智力演化的偉大奇蹟，是在浩瀚的歷史長河中，演化

從魚到人的進化，腦容量爬升的過程。人腦容量1400立方厘米，而黑猩猩腦容量400立方厘米，基因組的差別不到3%。

我在網上查閱了一些資訊，特別是西藏極端環境下高原低氧代謝過程的演化和選擇，這個過程可以追溯到3000億年前，所以演化還在持續進行時。

有時候我們會覺得小貓小狗和人類差距甚遠，但在達爾文眼中是驚人的相似。

《大腦如何思維》講到達爾文過程的核心，所以演化和選擇是我們理解腦的核心問題。

DNA雙螺旋結構的發現者之一克裡克（Crick）曾指出，生命體系中沒有像物理學和化學那樣“鐵的定律”（rigid laws），演化產生機制，而且多半是亞級機制。在生命系統中，幾乎很少有對一切生物問題普適的“規則”。

二．科學史上探索“腦-智”關係的若干里程碑事件

上圖是生命科學領域的泰山北斗，包括達爾文等等。

薛定諤，探討了生命的本質，他試圖用熱力學、量子力學等理論來解釋生命現象，引入了負熵、遺傳密碼、量子躍遷式的突變等概念，這些概念至今仍有著廣泛的影響。

讓·皮亞傑，把“適應（adaptation）”看作智力的本質，人的智力發展過程被視為其適應水平不斷提高的過程，“智力就是你不知道怎麼辦時動用的東西”。

拉蒙·卡哈爾，發現了神經元結構，“神經系統是由獨立的神經細胞組成的”。

謝靈頓，提出了突觸的概念，認為神經元的末稍分支與另一個神經元胞體或樹突僅僅是接觸，在原生質上並不連續。突觸是腦的基本操作單元，它對於腦的重要性，就如同原子對物質，DNA對生命那樣重要。

三．大資料時代的腦科學

在研究腦的過程中，最早有電生理技術，一直演化到今天的腦功能圖譜、大資料腦科學。

當下國際上以及中國科學界也在組織腦計劃，其中包括重大的國際合作計劃，在介觀層面繪製腦功能聯結圖譜，這是智慧時代、大資料時代的腦科學工作的前沿方向。

腦功能聯結圖譜要從巨集觀腦區尺度、介觀神經元網路尺度、微觀突觸尺度，以及更多的尺度上來繪製。

這是中國科技大學畢國強團隊的一個研究成果，該技術可以構築小鼠腦功能聯結圖譜，瞬間可以給出腦的聯結。

四．大腦的可塑性和自組織也是達爾文式的《演化和選擇》過程

大腦既然是演化和選擇，我想舉幾個例子來說明大腦可塑性和自組織也是達爾文過程。

這是人類大腦發育的過程。神經元的連線，從稀疏到茂密，最後到成熟，這是人生進行修剪的過程，也是演化和選擇的可塑性過程。

這是神經所於翔課題組證明大腦得得突觸在出生以後，野蠻性生長，突觸數量達到一個高峰，高峰過後再經過修剪,修剪結果會涉及很多問題：正常狀態；精神分裂症；阿爾茨海默症；孤獨症譜系障礙。或者修剪過程也可能形成天才。

這是神經所龔能實驗室研究的自我認知過程，人與黑猩猩可以從鏡中識別自我，而猴子不能，但是可以通過學習和訓練，也能讓它有認知自我的過程，這也是認知、修飾和成長的過程。

五．腦科學和類腦智慧聯姻

腦科學會帶給計算科學什麼啟發？這是2017年美國三位科學家合作,通過果蠅的嗅覺編碼改變雜湊演算法。

模仿果蠅嗅覺的演算法要比雜湊演算法優越，這說明腦科學和類腦智慧之間可以緊密結合，但需要雙方的配合。

我們的2001年的抉擇研究發現果蠅的基於價值的抉擇是S形曲線（左圖），2006年猴子的抉擇也是S形曲線（右圖），這說明跨物種具有相似性。

大腦內有“祖母”細胞嗎？前不久三位科學家證明大腦當中有概念細胞（由眾多細胞構成的一種概念），例如發現概念細胞可以編碼好萊塢的影星。

最近神經所王偉課題組在猴子視覺研究中，證明了視覺資訊在傳輸過程中有專門負責高空間解析度的一群細胞，這涉及到對影象編碼的過程，所以人類大腦研究進展可能會啟發未來人工智慧影象識別的發展。

2017年神經所常樂研究員在Cell雜誌上發表論文，研究提出人臉識別的新理論，顳下皮層單個神經元對一組特徵編碼。

圖左奔騰的馬是患有自閉症的5歲女孩所畫，圖右是同齡小朋友畫的馬，中間的馬是達·芬奇所畫。

我們怎樣理解腦認知的形成過程，這給各領域的科學家提出了挑戰。

我們要敢為天下先，設計整合多種天才特徵的更完備的類腦智慧系統，這也是給每位科學家提出的挑戰。

六．構築生命和智力本質的巨集偉大廈

眼下，腦科學充斥著資料和理論，但缺乏統一觀點的能力。在大資料時代，只有當人們掌握了對複雜系統進行有效描述的方法，掌握了從大資料提取資訊的策略，才可能將還原主義獲得的碎片化資料有效的整合，並通過呈展論去構築生命和智力本質的巨集偉大廈。

上圖是我引證的幾位科學家的文章，我們應該用這些思想來指導我們理解腦的工作。人們在細胞、神經遞質層面上的研究做得很細，但我們不知道它的來源是什麼，這些結構整體上是怎麼控制的，這是值得我們反思的問題。

科學家約翰·亨利，他在《湧現：從混沌到有序》談到一群螞蟻怎麼湧現出它的理智等等。我覺得思考很重要，整體要大於區域性之和，將不可能變成可能，因為它有湧現特點。

這是最近德國 M.海森堡教授發給我的一篇報告，主要探討的是通過腦和行為演化產生思維的，類似於自然哲學的深刻概念。

人類大腦在整體上是怎樣工作的呢？“道生一，一生二，二生三，三生萬物”，這是我初步的認識，即多模組協同運作的結果。

上圖是美國MIT新的人工智慧研究計劃，也是我們面臨的挑戰。

結論

物質是通過達爾文過程，即通過對腦和行為“演化+選擇”過程而產生智力。從演化和選擇的角度，構築生命和智力本質的巨集偉大廈，開創腦科學和類腦智慧的美好未來，是我們在智慧時代的使命擔當。