脑科学与机器人的进化之路

根据热力学第二定律，当熵（Entropie）开始增加时，就是细胞内外离子浓度差消失之时，而这意味着细胞的生命机理停止。对量子力学的确立做出贡献的理论物理学者艾尔温·薛定谔（Erwin Schrodinger）所著《生命是什么》一书中写道：“生命体的不可思议在于避免陷于平衡状态，通过新陈代谢，生命体吸取“负熵”，将正熵排出体外，就是说，生命体自发地减少体内微观粒子无规则运动的混乱无序程度”。用这样的概念来说明生命体，确实是非常深奥的表达。

2001年9月，我国正式参与人类脑计划与神经信息学研究。在传统医学（如针刺等）、汉语认知与特殊感知觉的神经信息学研究方面，研究成果斐然。

全世界数学领域里阿拉伯数字的广泛使用引起了科学家们对于不同语言国家使用这些数字的神经反应过程的兴趣，用中文说话和用英文说话的人在使用阿拉伯数字时的大脑反应机制是否一样呢？

理查德·内斯波特是美国密歇根大学“文化与认知项目”的负责人，内斯波特教授曾经发表文章讲述亚洲人和北美人欣赏图片时的不同方式。通过研究人眼睛的运动方式结果发现，当面对一张照片时，有欧洲背景的北美学生更加注意场面的前景，而中国学生更注重背景和整体效果。他认为，这就能显示出他们会以不同的方式观察世界，从而反映出亚洲人和西方人在推理方面确实存在很大差异。他表示，这项研究工作非常重要，因为它告诉我们造成亚洲人和西方人思维方式差别的大脑层次的原因。最后，这项工作将会告诉我们什么时候这种路径开始分化，也可能告诉西方人与亚洲人如何吸取对方思维方式的优点。

美国《国家科学院学报》2006年6月26日刊登的研究报告指出，英语人群和汉语人群解答简单算术题的能力旗鼓相当，但他们在解答时使用的大脑区域不尽相同。英语人群同时还使用到大脑语言区域，而汉语人群则需借助大脑视觉区域。

虽然结果相同，但对西方人和中国人而言，加法运算的过程却并不完全一样。加法运算中，除使用共同的相关大脑区域以外，他们都有自己独特的大脑算术区域。

“左右脑分工理论说”认为，人的左脑主要从事逻辑思维，右脑主要从事形象思维，是创造力的源泉，是艺术和经验学习的中枢，右脑的存储量是左脑的100万倍。

什么是语言？语言不过是来表示各种含义的一些符号。这些符号可以是抽象的，如英语，仅仅是字母，并且符号和符号间有一定的搭配，用语法来表示外界事物的顺序、事件进行的过程等。语言使人具有了抽象思维能力。英语是拼音字母，直接与听觉有关，与逻辑思维有关，就是说，和人的左脑有关。长此以往，主要从事逻辑思维左脑的功能就大有长进了。汉语是象形文字，直接与图形、与视觉连接，就是说，和右脑有关。长此以往，主要从事形象思维右脑的开发就大有进步了。汉英人群使用不同脑区域，看来和汉英文字的形成要素不无关系！

然而，历史潮流已经到了全球化的时代，在我国，学英语的人很多，左右脑分工理论暗示了东方人的脑科学将更加发达。

（1）脑科学计划 2013年2月份，奥巴马政府酝酿支持一项巨大的大脑研究工程，将绘出人脑近千亿神经元的模型图，即“人脑活动地图（Brain Actwity Map）计划”。该计划预计为期10年，参与者包括联邦机构、私人基金会，以及由神经科学家和纳米科学家组成的团队。其成果有望帮助研究精神分裂症和自闭症患者，并拉动经济，并揭开人类意识之谜。

对这项计划抱有最高期望的科学家，还把这当作一种研发关键技术，借此了解阿尔茨海默氏病和帕金森氏症等疾病，并为各种精神疾病寻找新疗法的途径。此外，该计划还有为人工智能的发展铺平道路的潜力。

与绘制基因组图相比，绘制、了解大脑活动图的挑战要大得多。“不同之处在于，后者本质上是一个更为复杂的问题”，自称参与了大脑计划的拉尔夫J.格林斯潘博士（Ralph J.Greenspan）说，“对于这个项目，我们的问题更难也更有趣：整个大脑的活动模式是怎样的，这些活动最终如何驱使人做出行动？”他们还表示，作为计划的一部分，美国应该建设一系列与天文台相似的国家大脑“检测站”。

从科学研究角度，如果有一天大脑的神经活动能够如地图一样清晰，与大脑相关的一些顽症将不再无解。另一方面，计算机经过数十年的发展已进入到成熟的民用阶段，但若想进一步实现模拟人脑活动则有赖于对于人脑更加深刻的认识，绘制“人脑活动地图”计划将很有可能在未来20年内带动相关产业的大发展，实现人工智能的真正突破。

2014年6月29日的《中国科学报》网络版，报道了中国的“脑科学计划”即将起动的消息。

2014年6月28日，中国、美国、欧洲等地的科学家出席了上海科学普及大讲坛，向公众介绍了“脑科学计划”。科学家称，研究推进脑科学，不仅可以促进人类的健康水平，而且对其他相关产业的发展，促进经济增长，具有重大意义。

中国科学院外籍院士、中国科学院上海神经科学研究所所长、中国科学院脑科卓越创新中心的蒲慕明主任表示：“大家同意以国内专家为基本，集中资源，专攻优势领域的研究成果，以解决迫切的社会需求。脑疾病的预防方法与治疗的发展，特别是神经发育障碍、精神疾病、神经退行性疾病的预防和早期干预很重要。”

欧洲于2013年4月，开始启动了“人类的脑项目（Human Brain Project，HBP）”。2014年4月，日本也启动了脑计划。瑞士联邦理工大学洛桑校（EPFL）的Olaf教授说，“预定展开的人类脑项目不仅涉及医学、神经科学，还包括计算机技术的开发”。Olaf教授还说“脑信号的传输机制如果能得以解答，脑的信息处理机制、模拟计算机的开发也是可能的。”专家说：“脑计划要远比人类基因组计划困难数百倍，有必要展开国际合作。美国与欧洲的脑计划具备互补性，拥有合作的基础”，并呼吁中国和欧美在脑计划中进行合作。

（2）机器人的进化 随着机器人的发展，出现了半机械人（Cyborg，也叫作半机器人）。这是一种“电子控制的有机体”，也就是说，一种一半是人，一半是机器的生物。人类和智能机械结合在一起，兼备两者的优点，成为半机械人，已经是现代科技发展的目标之一。

对于半机械的概念，科学家和普通人的想象存在差距。科学家认为未来的世界将充满半机械人，他们可能穿着外骨骼机械服、仿生手臂或者起搏器和玻璃眼睛。普通人所理解的半机械人更倾向于电影“机械战警”和“终结者”中的机械人。(www.xing528.com)

在某种意义上来说，半机器人不是新概念，因为人类在一直在通过工程性产品来改善自身。例如，一个装有木腿的退伍军人，或者一个由于心脏衰竭而装有起搏器的心脏病人都可以称为半机器人。

2002年3月14日，英国雷丁大学控制论教授沃里克，在牛津的拉德克利夫医院接受了一次手术，成为世界首例半机器人。外科医生用了2h的时间，将一枚边长为3mm的硅制芯片植入了沃里克左肘的皮肤下，芯片上100个头发丝粗细的电极与他手臂主神经相连，以接收神经冲动信号。他拿自己做实验有一个严肃的目标，那就是帮助因脊髓受伤等原因而瘫痪的病人。他希望能通过对神经信号的研究，最终让这些病人通过远程控制恢复部分自身行动能力。

图1.5.27 首个世界承认的半机械人尼尔·哈尔比森

科学家预言，在21世纪，很有可能在人脑中加入人工智能成分，以此来增加它的性能，如更高的记忆力、更快的计算速度等。甚至有可能通过基因工程技术来改变人类的DNA，并且以此来改变人类的外表和行为。人类可能会拥有可能生长、繁殖、分化、可移动、自我装配、自我测试、自我修复等的人工细胞，生物学和技术将融合在一起。

英国色盲男子尼尔·哈尔比森（图1.5.27）是首个世界承认的半机械人，他能利用一个与头部结合的摄像头装置“听颜色”。哈尔比森是一个全色盲，只能看到黑与白，他脑部安装的这个装置能把颜色转化为不同的音符，通过辨别不同音阶的声音他就能“看到”不同的颜色。上大学二年级的时候，哈尔比森上了一门关于感官延伸的人工智能课程。他说服老师为他制作了一个人工智能感官装置。为了能正确听懂各种颜色，哈尔比森必须记下不同频率的声音所代表的颜色，譬如说红色是最低频的声音。他表示，这个装置完全改变了他对艺术的理解，因为在他的世界里，颜色和声音是同样的东西。2004年，哈尔比森得到英国身份管理部门的正式承认，认定该装置是他身体的一部分。

机器人的仿生学进化是从人造器官开始的。

有一种生物电子装置已表明，大脑与机器的结合可以是强大而经得起时间考验的，过去30年中全球已有近20万人装上了它。这就是耳蜗植入装置。

艾登·肯尼是接受植入的患者之一。2009年2月，约翰·霍普金斯大学的外科医生在他每个耳蜗内曲折地放入了带有22个电极的细线（正常情况下耳蜗是负责感应声波振动的内耳构造）。艾登身上的话筒接收声音，把信号发送给电极，而电极直接把信号输入神经。2009年他已在配合治疗学说话，迅速赶上听力健全的同龄人。

继耳蜗装置之后，生物电子眼也许会很快问世。

几年前，视网膜色素变性夺去了乔·安·路易斯的视力，这种疾病会毁坏眼内负责感光的杆细胞和锥细胞，但是通常会有部分内层视网膜未受损伤。一层视网膜构造中布满了双极细胞和神经节细胞，正常情况下它会收集来自外层的杆细胞和锥细胞的信号，再转给从视觉神经发散出来的纤维。早先没人知道内层视网膜使用的是什么样的信号，或者如何对之输送它能够解读的图像。1992年，胡马云开始在手术中为此类患者的视网膜装上微小的电极阵列，2006年秋，胡马云和他所供职的“第二视界”公司联合一支国际团队，把阵列中的电极增加到60个。和像素更多的相机一样，新阵列能产生更清晰的图像。来自得克萨斯的路易斯是最早获得新阵列的患者之一。“现在我又能看出树的轮廓了，”她说，“印象中那是我失明前看到的最后一样东西。现在我看得到向四面八方伸出的树干。”

参与“大脑之门”计划的科学家正试图把完全丧失行动能力的患者的大脑运动皮质直接与计算机相连，使他们能够用意念来操控外界物体。已有受试者能这样移动计算机屏幕上的光标。研究者甚至计划开发一种人工海马，替代人脑中储存记忆的海马结构，用来为失忆患者移植。

在中科院重庆绿色智能技术研究院展厅，一个手持毛笔的机器人将毛笔蘸上墨水，挥笔写了起来，动作和人一样柔软灵活，顿笔、提笔有模有样，很快写下“重庆”两字。“它其实是模仿我写的字。”中科院智能神经机械电子中心主任李耀说，这是全自由度智能双臂机器人，它的特点就是有触觉，可以学习人的动作，只要人握着它的手写一遍，它就能用相同方式写出来。全自由度智能双臂机器人还能够精准感觉到人体的神经、肌肉的运动，并进行运动协调，因此它可以帮助脑瘫患儿进行康复训练。它也可以成为智能义肢，还能帮医生做手术。他们已和第三军医大南医院骨科合作，未来将在手术中应用这个机器人。

（3）模拟真人思维的机器人 日本开发出一项新技术，可通过解析脑波及脑血流使类人机器人按照人脑的想象做出动作。该技术今后有可能运用于家务机器人。新开发的装置由头盔状的传感器及测量记录器构成。

IBM近日公布其最新的科研项目：人工智能芯片（CPU），该项目就是具有革命性的新一代计算机芯片，这种新芯片能使机器真的拥有人的判断能力。IBM将这种芯片称之为“Neurosynaptic”，“Neurosynaptic”通过先进算法和硅电路，模拟发生于大脑等生物系统中神经细胞和触突之间的现象，进行认知并积累学习。简单来说，这种芯片可模拟大脑，并且完成大脑的各种功能。该项目一旦成功，将会使统治计算机结构至今的“冯·诺依曼”体系被颠覆。

在中国，天津大学和天津市人民医院发布了双方共同研制的人工神经康复机器人系统“神工一号”。这是全球首台适合于全肢体中风康复的“纯意念控制”人工神经机器人系统，它能真正实现大脑皮层与肌肉活动的同步耦合，做到身随意动、思行合一。该系统包括无创脑电传感模块、想象动作特征检测模块、运动意图识别模块、指令编码接口模块、刺激信息调理模块、刺激电流输出模块六部分。

分析称，在复合想象动作信息解析与处理、异步脑-机接口训练与识别、皮层-肌肉活动同步耦合优化、中风后抑郁脑电非线性特征提取与筛查等关键技术上取得了重大突破，目前已拥有包括23项国家授权发明专利、1项软件著作权在内的自主知识产权集群，是适用于全肢体中风康复的“纯意念控制”人工神经机器人系统。

人脑工程和意念控制有着紧密的联系，复旦复华、冠昊生物等有望从中受益。浙大求是高等研究院“脑-机接口”研究团2012年便已对外宣布其最新阶段性研究进展：让猴子用“意念”控制机械手，实现抓、勾、握、捏四种不同的手部动作。对于脊髓损伤、肢体瘫痪的残障人士，这无疑是个喜讯，因为随着技术的发展和完善，他们也有可能用“意念”让自己重新站起来。