【重磅】一文詳解腦科學研究與產業發展方向

大腦是人體最複雜的器官，破譯大腦運轉密碼、揭開生命之謎，是令無數科學家殫精竭慮的艱難課題。腦科學已成為21世紀最前沿的研究領域，尤其與信息科學進行交叉研究已成為腦科學發展的一個重要趨勢。腦科學的研究成果，不僅有助於人類腦疾病的防治，還將對信息和智能產業的發展產生巨大的推動作用。

大腦是人體最複雜的一個系統，它由超過800億個神經元組成，每個神經元又衍生出1000個分支。神經網路是如此龐大精細，因此對大腦及其功能的研究已經成為現代科學最大的挑戰。

大腦功能的模仿

造出像人腦那樣有高度智能的機器一直是人類世代的夢想，人們曾以為只要根據人腦表現出的智能，通過精心編程就有可能用計算機加以模仿。在行為主義思潮之下，一些人想僅僅通過提高計算機的運算速度和加大計算機的存儲容量來創造與人腦一樣聰明，甚至比人腦更聰明的智能機器。

然而，只是一味從行為上模仿人腦的某些功能而不深究大腦結構和工作機制，就不可能真正使用機器實現人工智慧。例如，IBM的「深藍」是沒有智能的，它只是一個「製作精良的工具，在一個限定的領域內能夠表現出智能行為」。雖然我們可以利用大量數據和性能更高的計算機來模擬人類的行為，但人類真正的認知過程並非如此。

人類大腦中似乎有一些「內置」的功能，使得連小孩子都可以從少量數據中學習到某一個概念。比如說，兒童看到一個蘋果就能在頭腦中形成蘋果這個「概念」，而傳統的機器學習並不具備這樣的能力。

大腦結構的複製

僅僅在行為上模仿人的智能，並無助於我們認識大腦和心智的機制問題。這樣，一些人就試圖在簡化的條件下，模仿大腦的局部結構，構建在某些功能方面類似於腦的機器。以仿神經結構工程為例，2009年研究者就已經構造出有100萬個神經元的神經網格超級計算機，由16個神經網格晶元組成，能夠模仿100萬個神經元和60億個突觸聯結。神經網路計算機有低能耗和自動化兩個顯著優勢，一方面通過固化在單晶矽片上的大量模擬神經元實現低能耗，其功率不足1瓦;另一方面「神經網格」晶元還可以自動進行編程。

與總量超過800億的人腦神經元相比，神經網格超級計算機所模仿的100萬個神經元數量微不足道。何況人類大腦中的生物神經元有著極大的多樣性，更不用說還有著比神經元數量多10倍的神經膠質細胞，人類對它的認識還遠遠不足。這些都會成為制約仿神經結構工程進一步發展的「瓶頸」。無論如何，不在傳統的計算機上進行模擬，而是直接用硬體實現性質類似於神經組織的晶元，這種方法給人類建立「人工腦」之夢開創了一條可行的新路。

可以說，腦科學是21世紀最富有挑戰性的重大科學問題，也是當前國際科學前沿的熱點領域，被視為未來新的經濟增長點和引領新科技革命的潛在引擎。腦科學研究已成為世界各國科學研究的重要領域。鑒於腦科學在整個自然科學領域中的前沿地位和重要性，以及經濟、社會發展對此學科的重大需求，美國、歐盟、日本等國家和地區相繼推出了各自的腦科學研究計劃。在了解人腦的結構和功能的共識下，各國的「腦計劃」有所不同。為了塑造國際競爭新格局，中國也在腦科學研究方面作出了相應的戰略部署。

大腦作為人體最複雜的機體器官，其複雜程度難以想像，其功能之強大也遠未被我們所認識。腦科學研究的終極目的是「認識腦」，從而「保護腦」，並最終「創造腦」。「認識腦」就是要揭示腦功能的本質，「保護腦」就是要預防和治療腦的疾病，「創造腦」就是要激發人腦的潛在能力，開發人工智慧。

「認識腦」：闡明腦功能

「認識腦」的戰略目標由兩部分組成:一是闡明行使「感知」、「情感」和「意識」的腦區結構和功能;二是闡明腦通信功能。人類跟動物最大的區別在於人類有大腦皮層，它的面積很大且具有非常複雜的結構。大腦皮層分為6層，共有約860億個神經元細胞，互相連接形成了複雜網路。人腦在處理信息的時候，大腦皮層的不同區域，會處理不同的任務。有些是處理視覺的，有些是處理聽覺的。

在信息技術或者人工智慧處理中，圖像、語音、文字、觸覺都是分離的。非常有趣的是，人腦處理不是這樣的，通過腦通信功能，視覺、觸覺和聽覺會交叉，能夠形成「記憶」。值得注意的是，記憶和存儲是不一樣的，記憶能夠體現出信息抽象的特徵。大腦皮層具有超強的記憶功能，並且能夠實現預測，而計算機的工作原理則是通過運算和存儲實現的。「記憶」具有自聯想的回憶模式。例如，當看到人臉的上半部分，馬上能想到臉的下半部分是什麼樣子;當聽到句子前半部分的時候，就能夠預測到句子的後半部分。大腦記憶能夠實現人臉自動識別，不需要複雜的計算過程。因為記憶有預測功能，這與使用計算機通過運算實現人臉識別的過程完全不同。

「保護腦」：征服腦疾病

人類大腦大約有860億個神經元，它們是如何連接以及是如何導致精神錯亂，或是如何出現神經性疾病的，目前人類還尚未得知。隨著全球人口老齡化時代的到來，阿爾茨海默綜合征、帕金森綜合征及亨廷頓綜合征等神經衰退性疾病日益威脅著人類的健康，「保護腦」成為腦科學的研究重點。一些常見的腦功能障礙疾病，如自閉症、精神類疾病、阿爾茨海默綜合征等都是全世界的難題，也都與大腦的奧秘有關。

所以，「保護腦」的戰略目標就是要征服腦疾病:一是控制腦發育和衰老的過程;二是神經性和精神性疾病的康復和預防。腦科學研究成果應用的首要目標是腦疾病的診斷和治療，通過研究大腦的工作機理，以及通過建立動物模型研究大腦神經迴路技術，從而更好地診斷以及治療大腦疾病。隨著腦科學的發展，一些困擾人類已久的腦疾病，如自閉症、心理障礙、抑鬱症、上癮及神經衰退性疾病、阿爾茨海默綜合征、帕金森等都有望被最終攻克。

「創造腦」：開發人工智慧

「創造腦」的戰略目標是開發仿腦計算機，由兩部分組成:一是發展腦型器件和結構;二是腦型信息產生和處理系統的設計和開發。腦科學研究成果將促進 人工智慧等技術的研發，這一領域的研究突破將引領新一輪的科技革命，並促使經濟社會發展呈現出嶄新的局面。

在健康醫療領域，可以將感測器植入癱瘓患者腦部，患者就能夠用大腦意念操控機械手臂，這大大便利了患者的日常生活。大腦感測技術依靠一個由數百個接觸點組成的感測器實現，每個接觸點對應大腦中特定的位置，能夠即時「解碼」從腦細胞和神經中傳來的信號。信號被傳遞到電腦之後，由特定軟體對照人體運動模式進行解碼分析，並生成操作機械手臂的代碼。

在工業創新領域，寶馬公司的研發人員就藉此成功改裝了一輛寶馬i3電動汽車，使其能夠僅憑一個人的意念來遠程駕駛。在展示中，通過將腦電波翻譯成駕駛指令，可以控制這輛車在一個曲線跑道上行駛。

總之，腦科學研究以「認識腦」為基礎，「保護腦」能夠有助於帕金森綜合征、阿爾茨海默綜合征等腦疾病的診斷和治療，改善腦疾病患者的生活質量;「創造腦」將為人工智慧和機器人(300024,診股)技術帶來實質性的突破，實現人機交互，讓人類可以完全按自己的意識來操作機器。腦科學和類腦研究的全球性熱潮反映了科學界和各國政府的三點共識。

其一，腦科學是人類理解自然界現象和人類本身的終極領域，也是最重要的前沿學科之一。

其二，腦疾病所帶來的社會經濟負擔已超過心血管病和癌症，腦科學的發展對腦疾病的診斷治療將有關鍵性的貢獻。

其三，計算機技術和人工智慧發展至今已面臨「瓶頸」，對人腦認知神經機制的理解可能為新一代人工智慧演算法和機器的研髮帶來新的啟示。

各國的腦科學研究機構，正在對不同層次有關腦的研究數據進行 檢索、比較、分析、整合、建模和模擬，並繪製出腦功能、結構和神經網路圖譜，以此來解決神經科學所面臨的海量數據(603138,診股)問題，最終達到「認識腦、保護腦和創造腦」的戰略目標。為適應腦科學的快速發展，一些國內的科學家提出，中國「腦科學」計劃應該作出針對性的戰略部署。

新領域：觸發「奇思妙想」

腦科學不僅是高度綜合的學科，而且是飛躍發展著的學科。在腦科學、腦疾病早期診斷與干預、類腦智能產品三個前沿領域中，新觀點、新發現、新技術層出不窮。在基礎性的「認識腦」領域，主要研究大腦對外界環境的感觀認知、對人類及非人靈長類自我意識的認知、對人類語言的認知等，通過探究語法及廣泛的句式結構，用以研究人工智慧技術。

「認識腦」技術主要體現在神經標記和神經環路示蹤技術、大腦成像技術、神經調節技術、神經信息處理平台等方面。在「保護腦」的應用醫療領域，隨著神經遺傳學的發展，增強了對導致神經和精神異常的人類遺傳途徑的認識。在「創造腦」的人工智慧領域，類腦科學通過類人腦神經網路模型和計算方法的建立，以及通過類腦計算、處理、存儲設備技術的研究，有助於實現新一代人工智慧機器和類腦機器人等項目的開發。

現在，腦科學基本確定了以闡明腦和神經系統工作原理和運行機製為目標的研究方向，即以認識腦認知原理為基礎，以腦重大疾病診治和類腦計算與腦機智能為兩大重要應用領域。

選擇腦科學作為突破口是因為腦科學研究意義深遠，不僅關乎人類的健康和福祉，而且關乎未來的生產力，有望深刻改變社會。腦科學研究不但可以揭開大腦高智能、高效率、低能耗之謎，提升人類健康水平，其研究成果也會為下一輪新技術革命提供重要支撐。尤其在工業創新領域，發展信息社會所必需的「腦型機器」，像人工智慧、智能機器人、自動駕駛等，腦科學研究的成果正在改變創新模式並影響我們生活的各個方面。

健康醫療：疾病診斷新手段

腦科學研究首先是保障人類健康的需要。在醫療健康領域，重點解決社會老齡化的問題，由於信息社會快節奏所帶來的各種腦疾患者以及由於其他原因所引起的各種腦疾患問題。運用新的生物技術針對腦科學和腦疾病的研究是國際前沿熱點方向。腦科學對人類的意義重大，可以說人類的一切行為都和大腦有關，聰穎與痴呆、學習與記憶、行為與障礙、衰老與再生……迄今為止，醫學研究已經發現超過500種腦部疾病，如人們熟知的阿爾茨海默綜合征、癲癇、精神分裂症、偏頭痛、腦血管疾病和腦腫瘤等。隨著社會老齡化加劇，阿爾茨海默綜合征對人類健康的威脅及對醫療保健設施和全球經濟造成的負擔越發嚴重，已成為不容忽視的社會問題。僅2010年，全球這一病症的醫療支出就達6040億美元，遠遠超過癌症和心臟病的醫療支出。

在我國，腦相關疾病導致的死亡人數已佔死亡總數的25%以上。據估算，中國未來的腦疾病負擔可能達到每年上萬億元的水平。腦科學研究的突破，必將推動腦疾病防治的根本進步，提高人們的健康水平和生活質量。腦科學也必將帶動中國產業轉型和創新發展。2016年3月，深圳舉辦了「非人靈長類腦科學未來發展態勢國際研討會」，提出依託生物醫藥產業，將深圳打造成科學前沿和藥物研發並重的腦科學城市，對深圳在生物醫藥產業，尤其是對腦科學、腦疾病和腦技術領域的學科發展起到了積極的催化作用。

人工智慧：類腦智能新技術

近年來，植根於腦科學的人工智慧研發取得了突破性進展，引爆了新的科技和產業革命。國際高科技產業巨頭已開啟大規模投入，一大批創新產品已經推出，後續競爭異常激烈。2011年，「谷歌大腦」項目在人類歷史上首次實現了機器系統對各種不同類型貓圖像的自動識別，正確率與人類似。隨著新型人工智慧被快速推廣到公共安全、金融投資與風險調控、醫療診斷、新葯開發等關係國計民生的重要領域，勢必帶來新一輪的產業革命。人工智慧近年的突破主要歸功於類腦的初步模擬、大數據和強大的計算能力。

目前取得突破的人工智慧更多地沿用經典的計算框架，如何藉助腦科學的研究成果，突破現階段模擬計算中的「瓶頸」，是人工智慧推向新階段(類腦人工智慧)的必然路徑。另外，類腦人工智慧也將有助於破解當前腦科學研究中的核心難題，對真實神經系統的計算模擬將為腦功能的認識提供嶄新的思路。

在企業層面，目前參與人工大腦研究的信息技術企業如IBM、谷歌，以及一批中小型創新企業如Emotiv、NeuroSky等，率先在前沿技術領域取得成績。通過對人腦的結構、動態、功能和行為進行研究，IBM領導的「認知計算」研究小組期望打破傳統的機器語言編程模式，為神經鍵和神經元開發出納米級的設備，從而挑戰大腦的超低能耗和超小體積。

2016年，IBM使用相變材料，製造出了能存儲和處理數據的隨機脈衝神經元。這種神經元集群與人造突觸等納米計算元件聯合，或是製造可用於認知計算領域的下一代超密集神經形態計算系統的關鍵。相變材料的人工神經元不但能執行多種計算，如檢測數據關聯等，而且速度快、能耗低。GoogleX實驗室開發出了模擬人腦並具備自我學習功能的「谷歌虛擬大腦」。「谷歌虛擬大腦」是為模擬人腦細胞之間的相互交流、影響而設計的，通過模擬人腦中相互連接、相互溝通、相互影響的「神經元」，由1000台計算機、16000個處理器、10億個內部節點相連接，形成一個「神經網路」。

新一代信息技術的戰略性和前瞻性，一直是全球科技界和產業界關注的焦點。人類社會也正在成為信息社會，每個人都越來越頻繁地與各種信息處理系統打交道。為了實現腦科學與人工智慧的有效結合，深入了解大腦的信息處理機制以及其與現有計算機實現人工智慧方法的差異是非常有必要的。未來人工大腦的進一步發展，有望加快研究人工大腦相關計算模型，促進相關標準、指導方針和技術工具的發展，使多個人工大腦研究平台實現相互協作，從而使得腦科學真正成為塑造和構建「最強大腦」的基石。

美國的「腦計劃」 2013年美國政府公布了「推進創新神經技術腦研究計劃」簡稱「腦計劃」(The Brain Activity Map，BAM)。 由美國國家衛生研究院、國防部高級研究計劃署、國家科學基金會共同支持，預計在10年內投入30億美元。關注新型腦研究技術，試圖探索人類大腦工作機制、繪製腦活動全圖，並最終找到治療、治癒甚至預防諸如阿爾茨海默綜合征、自閉症等神經系統疾病的方法，拓展全民對人類大腦健康 和患病狀態的認知。

歐洲的「人腦工程」 歐盟也於2013年宣布「人腦工程」(the Human Brain Project，HBP)入選「歐盟未來新興旗艦技術項目」(EU Future Emerging Technology Flagship) 該項目計劃在10年內投入10億歐元經費，整合歐洲22個國家、86家機構的150個研究團隊，目的是促進全新的集團性、協作性的整合方法，確保神經科學家們能夠共享數據、知識和專長。計劃側重以超級計算機技術來模擬腦功能。

日本的「腦科學時代」 1996年日本制訂了「腦科學時代」(the Age of Brain Science) 把認識腦(揭示腦的奧秘，闡明腦的功能)，保護腦(征服腦疾病，包括控制腦的發育和衰老，治療和預防神經性和精神性疾病，探索神經性和精神性疾病的預防方法等)及創造腦(開發仿腦計算機，包括開發腦型器件和結構，開發仿腦的信息產生和處理系統)列為腦研究的三大任務，共投入約160億美元。

中國的「腦計劃」 「十三五」規劃綱要已經把腦科學和類腦研究列入國家重要規劃項目 2012年中國科學院實施啟動了「腦功能聯結圖譜」戰略性先導科技專項，聚焦於「深耕」特定的腦功能，包括感知覺、學習記憶、情緒、抉擇等，以及新技術、新方法的研發。類腦計算和人工智慧研究是中國腦計劃的重要組成部分，兩者的相互促進將成為未來產業革命新的爆發點和增長點。

1、重大科技計劃 充分重視發展神經科學和類腦人工智慧技術的必要性和緊迫性，加快重大科技計劃部署和實施

2、專門管理機構 由國家相關部門牽頭，成立「國家腦科學和人工智慧專項管理和運行機構」，賦予強有力的科技方案制訂和運行管理等方面的職責，抓緊提出系統性綜合方案，統籌研究及開發力量，對重點研發領域實施攻關

3、細化項目設計 工程化設計「腦科學與類腦研究2030重大科技項目」，做好頂層設計的同時鼓勵變革性理論和技術創新，並具備隨著項目實施進程及時修正和完善技術路線和方案的管理體制機制

4、實現產業化發展 充分調動和利用社會資源，加快人才的培養、集聚和流動，促進科技成果的轉化和產業化，提升國家綜合競爭力

5、國際科技合作 強化論證，形成國際科技合作的新策略，爭取在這一領域，由我國牽頭髮起國際重大科技計劃。

1、動物之間「心靈融合」成為可能 杜克大學的神經科學家已經締造了一個腦網(Brainet)，用電記錄和電刺激，將動物大腦的電信號連接起來。連在一起後，這些動物學會了共同解決一些問題，如預測天氣或者移動機械手臂，表現得比單只動物好。

2、人們對色彩的認知竟然完全不同 對色彩的不同感知是因為大腦在不同光照條件下對色彩的感知不同。

3、並沒有男性大腦和女性大腦之別 一半以上的人同時擁有男性和女性的特點，這意味著人腦不可能被劃分到單一的類別中。

4、為睡眠中的老鼠注入虛假的記憶 當老鼠睡覺時，科學家開始刺激與某個空間位置有關(即位於該區域時，該腦區會被激活)的老鼠腦區。當老鼠醒來時，完成了它們曾經去過某個地方的虛假記憶。

5、大腦會自我清潔 腦膜的最外層存在著淋巴管，腦膜是圍繞著大腦的保護層。科學家發現的這些「管」擁有淋巴系統的特徵，將免疫細胞和其他液體輸送到鄰近的淋巴結，並在那裡濾除廢物。

6、鍛煉對大腦很重要 越來越多的證據，證明鍛煉不僅對身體很重要，對大腦也很重要，鍛煉可以使大腦更健康、更年輕。

7、人造的大腦細胞 科學家們將蛋白質生物感測器與電子離子泵連接在一起，創造出一個神經元。這種神經元能夠模擬人腦細胞的功能，包括將化學信號轉變成電信號以及與其他細胞交流。

8、大腦功能連接與人格有關 功能連接更多的人擁有更好的人格特徵(如IQ更高)，同時負面特徵(如酗酒的傾向)更少。

來源：腦計劃