什么是“人工腦連接體”？它是怎么被制造出來的？

最近，Mindputer實(shí)驗(yàn)室制造出世界首個(gè)“人工腦連接體”（True-Brain）的信息剛剛發(fā)布（詳見《會(huì)議通報(bào)：中國Mindputer實(shí)驗(yàn)室首次造出人工腦連接體》。做為一個(gè)高前沿性的專業(yè)技術(shù)概念，許多業(yè)內(nèi)人士都還不熟悉這個(gè)新事物。什么是“人工腦連接體”？它是怎么被制造出來的？它與生物腦的不同或相同？它與腦計(jì)劃的關(guān)系？它對(duì)人工智能和類腦人工智能的影響？等等。以下，我們就這幾個(gè)重點(diǎn)問題做一解說。

當(dāng)今世界幾個(gè)主要技術(shù)大國都在展開自己的腦計(jì)劃，其首要目標(biāo)是：希望通過發(fā)展高尖端技術(shù)工具，來實(shí)現(xiàn)對(duì)生物腦的全部微觀連接網(wǎng)絡(luò)及其內(nèi)部功能過程的精密測(cè)量和全時(shí)記錄；在此基礎(chǔ)上，建立起生物腦連接組數(shù)據(jù)庫。這是歐-美-中等腦計(jì)劃所共同遵循的基本技術(shù)路徑。我們稱其為“摹寫-復(fù)制方法”。但是這個(gè)技術(shù)路徑的難度極高。

“人工腦連接體”是另一個(gè)新技術(shù)路徑，它不是對(duì)生物腦連接組的人工復(fù)制品或人工仿真品；而是使用深構(gòu)造腦模型特有的專長(zhǎng)——深構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)組裝——按照組裝規(guī)則和連接計(jì)算方法，從無到有，從小到大，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步地組裝出一個(gè)原生的人工腦皮層。

True-Brain的基本框架是這樣的，分為12個(gè)功能模塊（腦功能亞區(qū)），4個(gè)梯級(jí)（腦發(fā)育/進(jìn)化層次），每個(gè)功能模塊設(shè)有36個(gè)多叢異分器（MCTP）。每個(gè)異分器的神經(jīng)元承載量10－30個(gè)。神經(jīng)元數(shù)量總計(jì)在4320個(gè)-12960個(gè)范圍內(nèi)調(diào)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，分許多個(gè)局部性的組裝任務(wù)，從最低層開始逐漸向較高層發(fā)展。

圖1 核心元件 多叢異分器（Multi-Clusters Transforming Processor MCTP）

圖2 True-Brain基本框架示意圖 12個(gè)功能模塊 X 36個(gè)多叢異分器

True-Brain是我們實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過一年多制造出來的世界第一個(gè)高逼真性的人工腦連接體。一方面，這個(gè)人工腦連接體是以在Mindputer樣機(jī)中的數(shù)字信號(hào)形態(tài)而存在著的，不是以生物的肉體細(xì)胞狀態(tài)存在著的；因此，在外形上我們找不到腦的實(shí)體感覺。但是另一方面，實(shí)際的測(cè)試結(jié)果已經(jīng)反復(fù)得到確認(rèn)，這個(gè)機(jī)器中的“數(shù)字腦”在5個(gè)最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)-功能特征上，與實(shí)生物腦具有高度相近的可比較性。以下簡(jiǎn)述之：

１/ True-Brain中的核心元件是多叢異分器（Multi-Clusters Transforming Processor)。

它可以使每一個(gè)神經(jīng)元的樹突按照叢枝狀的結(jié)構(gòu)建立連接。不同突觸之間在樹突上的位置和距離上的差異，可以建立起對(duì)不同突觸之間所產(chǎn)生的同時(shí)性信號(hào)的優(yōu)先讓步秩序的調(diào)制。這是深構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部形成各種信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)有序性的技術(shù)基礎(chǔ)。

２/ 在True-Brain中，所有的虛擬記憶單位間，不論其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有多大，也不論這些記憶單位形成深構(gòu)造復(fù)合結(jié)構(gòu)，它們都能夠保持清晰的邊界和單個(gè)記憶單位的可提取性。

任何一個(gè)神經(jīng)元都可以分屬于不同記憶單位，以及可以被不同的工作流程所使用。由此，許多記憶單位或工作流程因它們共用神經(jīng)元的載體方式而形成了“記憶的共融性存儲(chǔ)”，這種邊界清晰的“多記憶的共融性載體存儲(chǔ)構(gòu)造”是又一個(gè)高逼真基本特征。

３/ 同一載體上不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)許多記憶內(nèi)容的存儲(chǔ)；

而且可以在載體上不斷增加新的記憶內(nèi)容，而原有的記憶內(nèi)容繼續(xù)保存且不需要抹除。新舊兩種記憶內(nèi)容可以并存。這樣，深構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)有效地解決了現(xiàn)有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中難以解決的“災(zāi)難性失憶”問題。

4/ 通過一年多的組裝實(shí)驗(yàn)，我們總結(jié)出一個(gè)規(guī)律：

從低層向高層的每一次新的競(jìng)爭(zhēng)調(diào)制，都意味著新的更高層的中樞分化。按照這種規(guī)律，可以預(yù)測(cè)組裝過程中的更高層級(jí)新功能區(qū)的形成趨勢(shì)；反之也可預(yù)測(cè)和解讀較高等級(jí)功能區(qū)對(duì)較低等級(jí)功能區(qū)的反饋回路的形成原因。

５/ 在對(duì)True-Brain的測(cè)試中，測(cè)定任何一個(gè)虛擬的工作任務(wù)，都可追蹤到與這個(gè)特定功能過程相對(duì)應(yīng)的突觸連接路徑。

可以通過追蹤在腦中被激活的某些部位或某些局部來研究功能與結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在True-Brain實(shí)驗(yàn)中，我們的追蹤可以落實(shí)到跨多個(gè)層次中的多個(gè)模塊區(qū)中的任何相關(guān)的單體網(wǎng)絡(luò)及其它們?nèi)康幕芈飞?，可具體化到每一個(gè)相關(guān)細(xì)胞和每一根相關(guān)突觸上。

True-Brain做為一個(gè)人工腦連接體，與現(xiàn)在歐美中腦連接組計(jì)劃正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目項(xiàng)目相比，在可以追蹤顯示的白質(zhì)和灰質(zhì)的細(xì)胞和突觸的細(xì)微程度上與全覆蓋范圍上都是最高的。

回過頭再來看歐美中各個(gè)腦計(jì)劃，可以凸顯出理想與現(xiàn)實(shí)的巨大差距。從理想的目標(biāo)來看，各腦計(jì)劃都不約而同地采用了“自下而上”的逆向研究路徑。即從生物腦的微觀層面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和知識(shí)入手，通過逐漸整合，向上尋找中觀和宏觀層面上的結(jié)構(gòu)關(guān)系規(guī)律，最終希望建立起整體的結(jié)構(gòu)-功能的腦連接組模型。但現(xiàn)實(shí)是，如此大規(guī)模的微觀海量的數(shù)據(jù)和碎片化的實(shí)驗(yàn)知識(shí)的“拼圖工程”，需要消耗超長(zhǎng)周期的時(shí)間和財(cái)力。而人工腦連接體方法與“摹寫-復(fù)制”技術(shù)相比，擁有兩個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)：

1/ 生物腦連接組的技術(shù)創(chuàng)新是在挑戰(zhàn)物理和化學(xué)的極限。

在目前技術(shù)條件下，只能夠獲得大面積的白質(zhì)粗纖維圖像，更無法對(duì)灰質(zhì)纖維實(shí)行大面積的記錄。而人工腦連接體組裝卻能夠同時(shí)對(duì)白質(zhì)和灰質(zhì)纖維在神經(jīng)元和突觸水平上進(jìn)行大面積的網(wǎng)絡(luò)解析和追蹤。

2/ 現(xiàn)有技術(shù)水平下的腦連接組研究，只能在死亡的腦組織上進(jìn)行較大規(guī)模突觸水平的連接網(wǎng)絡(luò)的記錄。

人工腦連接體方法卻能夠演示“活體”狀態(tài)下的全規(guī)模微觀突觸活動(dòng)過程，可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和突觸水平上的大規(guī)模的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的追蹤，可以實(shí)時(shí)顯示在生物腦實(shí)驗(yàn)中難以觀察到的活體細(xì)節(jié)過程。

談到這里，有讀者自然會(huì)問到：既然人工腦連接體已經(jīng)能夠這么逼近于生物腦的結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)，那么，是否意味著“類腦人工智能”或“人工思維”的夢(mèng)想正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)呢？我們的回答是：YES！任何一位腦科學(xué)的專業(yè)人士或人工智能的行內(nèi)人士都能夠理性地做出這個(gè)推斷。

1/ 在True-Brain組裝實(shí)驗(yàn)中，同一套神經(jīng)元做為載體，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)許多記憶內(nèi)容的存儲(chǔ)；

且載體上可不斷增加新的記憶內(nèi)容，同時(shí)原記憶內(nèi)容不需要抹除。新舊兩種記憶并存，且不影響各自的獨(dú)立調(diào)用。進(jìn)一步地觀察發(fā)現(xiàn)，這些不同的記憶內(nèi)容，不論它們屬于什么樣的信息類型，也不論它們是什么樣的環(huán)境對(duì)象，或者是什么樣的特定原有載體形式；True-Brain中的人工神經(jīng)元都解決對(duì)它們的負(fù)載。

2/ 在True-Brain實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn)：

對(duì)已有的記憶網(wǎng)絡(luò)單位，可以按人的需要，任意選取其中的某個(gè)局部，然后將它們單獨(dú)摘取重組后形成一個(gè)新記憶內(nèi)容。用這種方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任何已有的記憶內(nèi)容進(jìn)行任何重組，通過設(shè)定新的突觸連接而組裝成一個(gè)新內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)，而原各記憶網(wǎng)絡(luò)的工作流程可繼續(xù)保留。

上述兩項(xiàng)新的發(fā)現(xiàn)，時(shí)間還不長(zhǎng)，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行中。但已經(jīng)足以說明人工腦連接體的出現(xiàn)標(biāo)志著類腦人工智能這個(gè)夢(mèng)想已經(jīng)開始落地了，奇點(diǎn)時(shí)刻已經(jīng)到來。

我們需要時(shí)間思考，需要認(rèn)真思考霍金的預(yù)言，需要好好想想人類的命運(yùn)問題！

未來智能實(shí)驗(yàn)室是人工智能學(xué)家與科學(xué)院相關(guān)機(jī)構(gòu)聯(lián)合成立的人工智能，互聯(lián)網(wǎng)和腦科學(xué)交叉研究機(jī)構(gòu)。

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(píng)測(cè)體系，開展世界人工智能智商評(píng)測(cè)；開展互聯(lián)網(wǎng)（城市）云腦研究計(jì)劃，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)（城市）云腦技術(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)。