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从1立方毫米的大脑皮层中,解开人类思维的奥秘

来源: 科技狗 作者:造就 发布:2016-12-21 10:00:08 收藏成功收藏本文

  带三岁小孩去动物园,不用你说她就知道,那个脖子长长、嚼着树叶的动物就是图画书上的长颈鹿。乍看起来这没什么了不起的,但实际可不简单。书本上只有简单的线条,勾勒出死板的轮廓,但有血有肉的动物却充斥着颜色、质感、动作和光线,而且每个角度的样子都不一样。

  这是人类的专长。只要少少的几个例子,我们就能抓住重要特征,从陌生事物中识别出它们。如果换成人工智能程序,则要消化一整个长颈鹿数据库,从各种不同背景和视角加以观察,才能“认识”它们。

  视觉识别是人类胜过计算机的诸多领域之一。我们还擅长从大量数据中找出相关信息,解答非结构化问题,善于无监督学习,就像婴儿在玩积木时,顺便就认识了重力的作用。“相对计算机来说,人类更像是个多面手。”卡内基梅隆大学计算机科学家、神经科学家李泰兴(Tai Sing Lee,音)说,“我们的思维更灵活一些,可以预见、想象和创造未来。”

  美国的情报部门资助了一个野心勃勃的新计划,名为智能高级研究项目(IARPA),其目标就是要让人工智能更接近人类智力。该项目由三个团队组成,研究人员包括神经科学家和计算机科学家,他们试图探明大脑的视觉识别原理,然后用机器加以效仿。

  “目前的机器学习做不到的,正是人类最擅长的。”该计划负责人雅各布·沃格尔斯坦(Jacob Vogelstein)说,“我们想对人脑的算法和计算方式进行逆向工程,掀起一场机器学习技术革命。”

  时间紧迫。目前,每个团队负责给一小块大脑皮层建模——其精细程度前所未见,然后基于研究结果来开发相应算法。到明年夏天,每种算法都要接受测试:拿到一个陌生物件,在无标记数据库内,从数千张图片中挑出同类物件。

  “这个时间要求很紧张。”艾伦脑科学研究所所长兼首席科学家克里斯托夫·科赫(Christof Koch)说,他正与其中一个团队合作。

  当前,科赫正和同事们一起,为一小块大脑组织创建出完整的“布线图”。这块脑组织的体积是100万立方微米,只相当于一粒芝麻的五百分之一。相比于迄今为止最大的完整布线图,它又大了好几个数量级。后者于去年6月发布,耗时六年完成。

  IARPA项目又名“皮层网络机器智能”,简称Microns,为期五年。最终,研究人员将绘制出一个1立方毫米的皮层图谱。看着很小一块,但内含10万个左右的神经元、300到1500万个神经元连接(即突触),所有神经元若是一字排开,长度足足有4公里。

  以如此大的规模重构大脑,在历史上尚属首次。但小规模的尝试表明,通过这些图谱,我们能一窥大脑皮层的内部机制。在3月份发表于《自然》杂志的一篇文章中,哈佛大学神经科学家艾伦·李(Wei-Chung Allen Lee)与合作者们绘制出了50个神经元及其1000多个连接对象的布线图。他们将图谱与每个神经元的功能匹配起来——比如,一些神经元专门响应纵向视觉输入——然后推导出一个简单的规则,这个规则限定了这部分神经元的解剖学连接方式。他们发现,功能类似的神经元更容易彼此连接,而且,同类神经元连接的紧密程度也要超过非同类神经元。目前,艾伦·李正与科赫的团队进行合作。

  IARPA资助各项研究,为的是给情报部门提供数据分析工具,所以,它的目标是取得技术上的突破,但首先还是要进一步理解大脑。贝勒医学院神经科学家安德烈亚斯·托利亚斯(Andreas Tolias)打了个比方:目前我们对大脑皮层的认知,就好比一张模糊的照片。他希望,Microns项目能使这张照片变得更加清晰,在神经回路中发现更加复杂的规则。不掌握其所有构成部分,他说,“我们可能就看不到它的结构之美。”托利亚斯目前担任科赫团队的负责人之一。

  人脑的处理单元

  人脑的表面覆盖着百转千回的褶皱,形成大脑皮层。它们相当于比萨饼大小,揉皱了塞入头骨内。从很多层面上讲,它都是大脑的微处理器。这层组织约有三毫米厚,由一系列重复模块(微回路)构成,类似于计算机芯片中的逻辑门阵列。每个模块由大约10万个神经元组成,形成错综复杂的网络。有证据表明,在整个大脑皮层内,这些模块的基本结构都大致相同。然而,不同区域的模块服务于不同的目的,例如视觉、运动或听觉等。

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