大脑的奥秘

世界各国在人工智能技术研发方面的竞争呈白热化状态，对于脑科学的研究，也是如此。从上世纪90年代开始，美国、欧盟、日本都先后推出了本国脑科学时代的计划纲要。进入21世纪，2013年奥巴马宣布了美国“脑计划”战略；2014年日本提出了“大脑革命计划”；随后加拿大、澳大利亚等国也都提出了相关计划。中国也制订了2016至2030年为期十五年的脑科研的发展规划。国务院“十三五”国家科技创新规划中，将脑科学与类脑的研究列为科技创新的重大项目，这意味着脑科学研究已经被列入我国的国家战略之中。习近平总书记在2018年的两院院士大会上强调，“以合成生物学、基因编辑、脑科学、再生医学等为代表的生命科学领域孕育新的变革”。这进一步凸显了脑科学研究的基础性、前瞻性和重要性。

一、脑科学研究的战略意义

我们知道大脑是很神奇的器官，存在着很多奥秘。我今天从几个方面，比较浅显和初步地给大家介绍一些脑科学研究的基础知识和应用情况。

第一，科学意义重大，是科技竞赛制高点。

脑科学是人类认识自然的最后疆域。我们人类认识世界、改造世界，而最难的就是对自己认知过程的认知。著名诺贝尔奖得主拉蒙·卡哈尔说：“只要大脑的奥秘尚未大白于天下，宇宙仍将是一个谜。”

在过去一百年中，关于脑科学的研究获得了近20个诺贝尔奖。世界顶级的科学杂志《Science》为了纪念创刊125周年，于2005年7月提出了125个重要的科学问题，其中就有18个属于脑科学，所占比例达到了将近15%。这些都反映出脑科学研究的意义重大，是世界各国科技竞赛的战略制高点。

第二，关乎人民健康的国家重大需求。

中国经济发展迅速，人民越来越富裕，但是人口老龄化问题也日益凸显。上海的老龄化人口比例已经超过日本的全国平均值，由此带来的脑相关疾病问题逐渐突出。2010年以来的数据显示，脑相关疾病的发病率越来越高。脑疾病不会使人迅速死亡，而会让人失能，拖得时间很长，给社会和家人造成沉重负担。只有从脑科学着手，在脑科学领域取得突破，才能从根本上推进脑相关疾病的预防和治疗。

第三，开发儿童智力，发展教育新方法。

现在的孩子在暑假期间一直在补习，各种补习班很多。大家都很焦虑，不死记硬背就考不到好成绩，而这显然有悖于素质教育。所以研究大脑学习的过程，让小朋友们学会学习，这是我们脑科学研究的历史使命。我们希望能够发现和掌握人类智力发展的规律，改良教育方式，让素质教育成为主流，促进人才的全面发展。

第四，促进脑科学与类脑智能相关产业发展。

人工智能和脑科学是现在非常热门的两个研究领域。与脑科学相关的产业方兴未艾。不仅如此，我们相信脑科学与人工智能相结合的产业，一定会在未来几十年大有发展。

第五，科技强军，保障国防安全。

人类历史进程中有四次工业革命，第一次是机械化，第二次是电器化，第三次是自动化，第四次就是智能化。第四次工业革命将由脑科学和类脑智能主导。脑科学和军事有着密切的关系。我们知道，电脑由两部分组成，一部分叫软件（software），一部分叫硬件（hardware）。现在军事上出现一个新名词，叫湿件（wetware），指操纵软件和硬件的人或者生物体。把生物体跟人类的控制结合起来，跟军事的硬件和软件结合起来，发展出新的军事理论，已经成为引导军事革命的主流。所以制脑权已经成为各国军事战略家关注的焦点。

以上我从科学意义、健康意义、教育意义、产业意义和军事意义大概讲了一下脑科学研究的重要性，下面我们进入今天的主题：大脑有哪些奥秘。

二、大脑有哪些奥秘

大脑有这样一些特点：它低能耗，非常高效，学习记忆速度快，非常灵活，具有创造性，控制运动的能力非常强。

第一，大脑的基本结构。

大脑里面有一个个的神经细胞。神经细胞细胞膜内外的离子浓度不一样，于是会产生一个跨细胞膜的电压差。当神经细胞变活跃时，会产生一个脉冲的动作电位。依靠局部的离子流动，动作电位能够在神经细胞的轴突上传递，一直到轴突末梢的突触结构。神经突触将电能转化为化学能，释放出一种化学物质传给下一个细胞。下一个细胞又将它转化为电信号，从而在脑子里一直传下去。这就是大脑基本工作原理。

脑是自然界最复杂的系统之一。大家知道我们的脑有多么复杂吗？我们有860亿个细胞，每个细胞可以跟另外1000个细胞形成连接，就会形成100万亿个连接。这种连接有多么复杂？电脑有网线的插口，把全世界网线的插口、互联网的接口加到一块，还没有大脑连接的数量多。

大脑的功能就更加强大了，我们的大脑有感知、运动、思维、智力等方面的功能。大脑是生物学的研究对象，也是物理学、化学等学科的研究对象。脑科学的研究是一门学科高度交叉的全研科学，层次很多，要从整体层次、网络层次、环路层次到分子细胞层次等开展研究，所以脑科学是一门相当复杂的学科。

第二，大脑的低能耗和高效性。

大脑的能耗是多少呢？一台笔记本电脑的功率大概是110瓦，而我们大脑的功率是20瓦。这20瓦是怎么算出来的？我们既没办法用电压表、电流表去测，又没办法把大脑取出来测量。大脑功率的20瓦是一个估算，具体估算过程如下：一个体重70公斤的男性，每天要吸收2500卡路里的热量，才能保持身体不胖不瘦，就是基本上要消耗这么多的热量。这相当于一个人一天消耗的能量是10500000焦耳。一天的时间是86400秒，所以可以算出人体的功率是121.53瓦。又有人会问，我们可以算出来人体总体的瓦特数，但怎么知道这121.53瓦里面有多少是脑子用的？这就有个技术问题。有种仪器设备叫正电子扫描仪器（PET），它是检测体内葡萄糖消耗量的机器。癌症病人的葡萄糖消耗量高，所以PET能把癌细胞照出来。PET也可以检测正常组织的葡萄糖消耗。葡萄糖就是我们的血糖，是最直接的能量消耗。用PET测量出人脑使用了身体六分之一，也就是约16.67%的葡萄糖。于是把人体的功率乘以16.67%，得出我们人脑的功率约等于20瓦。所以这是一个有道理的科学估算。

我们来比较一下这两年很火的人机大战。现在阿尔法狗的风头正劲，我们看看阿尔法狗有多少功率。2016年战胜李世石的那一代阿尔法狗有大量的中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU），下一盘棋需要1202个CPU和176个GPU。有人算出来这些处理器的功率约为17万瓦，而这些机器要运转起来，还需要配置工程师。所以从能耗上讲，人类并没有输。

为什么人脑会有这么高的能效性？比如现场有这么多听众，后面一位听众有与众不同的表现，我就能找到他。这是因为我们人脑有一种注意机制。什么是注意机制？就是大脑集中优势资源，处理当前最重要的人物，也就是提高利用功效。这种能力能够把无效的信号过滤掉，专门处理有用的信号，这是一个很重要的机制，机器很难做到这一点。

人类的注意机制有两种：一种叫无意注意，是自下而上的过滤，也叫目标显著性的注意，意思是这个目标比周边其他目标更显著，从而引起注意。另一种是更高级的注意，也叫经验依赖的注意，或者说是由顶至下的注意。人工智能可以比较好地实现目标显著性的注意，而要实现经验依赖的注意就很难。