什么是“人工腦連接體”？它是怎么被制造出來的？

最近，Mindputer實驗室制造出世界首個“人工腦連接體”（True-Brain）的信息剛剛發(fā)布（詳見《會議通報：中國Mindputer實驗室首次造出人工腦連接體》。做為一個高前沿性的專業(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？它與腦計劃的關(guān)系？它對人工智能和類腦人工智能的影響？等等。以下，我們就這幾個重點問題做一解說。

當今世界幾個主要技術(shù)大國都在展開自己的腦計劃，其首要目標是：希望通過發(fā)展高尖端技術(shù)工具，來實現(xiàn)對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量和全時記錄；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”。但是這個技術(shù)路徑的難度極高。

“人工腦連接體”是另一個新技術(shù)路徑，它不是對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——深構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)組裝——按照組裝規(guī)則和連接計算方法，從無到有，從小到大，從簡單到復(fù)雜，逐步地組裝出一個原生的人工腦皮層。

True-Brain的基本框架是這樣的，分為12個功能模塊（腦功能亞區(qū)），4個梯級（腦發(fā)育/進化層次），每個功能模塊設(shè)有36個多叢異分器（MCTP）。每個異分器的神經(jīng)元承載量10－30個。神經(jīng)元數(shù)量總計在4320個-12960個范圍內(nèi)調(diào)動。實驗中，分許多個局部性的組裝任務(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個功能模塊 X 36個多叢異分器

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

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，可以建立起對不同突觸之間所產(chǎn)生的同時性信號的優(yōu)先讓步秩序的調(diào)制。這是深構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部形成各種信號競爭有序性的技術(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記憶單位的可提取性。

任何一個神經(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”，這種邊界清晰的“多記憶的共融性載體存儲構(gòu)造”是又一個高逼真基本特征。

３/ 同一載體上不僅可以實現(xiàn)對許多記憶內(nèi)容的存儲；

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驗，我們總結(jié)出一個規(guī)律：

從低層向高層的每一次新的競爭調(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)測組裝過程中的更高層級新功能區(qū)的形成趨勢；反之也可預(yù)測和解讀較高等級功能區(qū)對較低等級功能區(qū)的反饋回路的形成原因。

５/ 在對True-Brain的測試中，測定任何一個虛擬的工作任務(wù)，都可追蹤到與這個特定功能過程相對應(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)的對應(yīng)關(guān)系。在True-Brain實驗中，我們的追蹤可以落實到跨多個層次中的多個模塊區(qū)中的任何相關(guān)的單體網(wǎng)絡(luò)及其它們?nèi)康幕芈飞?，可具體化到每一個相關(guān)細胞和每一根相關(guān)突觸上。

True-Brain做為一個人工腦連接體，與現(xiàn)在歐美中腦連接組計劃正在進行的實驗項目項目相比，在可以追蹤顯示的白質(zhì)和灰質(zhì)的細胞和突觸的細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腦計劃，可以凸顯出理想與現(xiàn)實的巨大差距。從理想的目標來看，各腦計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驗數(shù)據(jù)和知識入手，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)實是，如此大規(guī)模的微觀海量的數(shù)據(jù)和碎片化的實驗知識的“拼圖工程”，需要消耗超長周期的時間和財力。而人工腦連接體方法與“摹寫-復(fù)制”技術(shù)相比，擁有兩個突出的優(yōu)勢：

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，更無法對灰質(zhì)纖維實行大面積的記錄。而人工腦連接體組裝卻能夠同時對白質(zhì)和灰質(zhì)纖維在神經(jīng)元和突觸水平上進行大面積的網(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)模微觀突觸活動過程，可實現(xiàn)細胞和突觸水平上的大規(guī)模的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的追蹤，可以實時顯示在生物腦實驗中難以觀察到的活體細節(jié)過程。

談到這里，有讀者自然會問到：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)和功能細節(jié)，那么，是否意味著“類腦人工智能”或“人工思維”的夢想正在變?yōu)楝F(xiàn)實呢？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推斷。

1/ 在True-Brain組裝實驗中，同一套神經(jīng)元做為載體，可以實現(xiàn)對許多記憶內(nèi)容的存儲；

且載體上可不斷增加新的記憶內(nèi)容，同時原記憶內(nèi)容不需要抹除。新舊兩種記憶并存，且不影響各自的獨立調(diào)用。進一步地觀察發(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)元都解決對它們的負載。

2/ 在True-Brain實驗中我們還發(fā)現(xiàn)：

對已有的記憶網(wǎng)絡(luò)單位，可以按人的需要，任意選取其中的某個局部，然后將它們單獨摘取重組后形成一個新記憶內(nèi)容。用這種方法，可以實現(xiàn)對任何已有的記憶內(nèi)容進行任何重組，通過設(shè)定新的突觸連接而組裝成一個新內(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。

上述兩項新的發(fā)現(xiàn)，時間還不長，后續(xù)的實驗還在進行中。但已經(jīng)足以說明人工腦連接體的出現(xiàn)標志著類腦人工智能這個夢想已經(jīng)開始落地了，奇點時刻已經(jīng)到來。

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

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

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