AI浪潮下，更要呼喚思辨精神丨展卷

腦科學(xué)一直是備受關(guān)注的領(lǐng)域，在科研進(jìn)展日新月異的同時(shí)，也對(duì)相關(guān)的科普提出了新的挑戰(zhàn)。顧凡及老師希望能寫(xiě)出兼具前沿性和趣味性的科普書(shū)，《腦科學(xué)故事》正是在這一目的下誕生的。如今，這本書(shū)出版了第三版，補(bǔ)充了許多對(duì)新問(wèn)題的解讀。知識(shí)在不斷更新變化，但本書(shū)呈現(xiàn)的思辨精神始終如一。這其中的變與不變，值得慢慢品味。

撰文 | 俞洪波（復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授）

作為顧凡及老師《腦科學(xué)的故事》的忠實(shí)讀者，我在日常授課中大量引用書(shū)中的內(nèi)容，師生們受益良多。自2011年第一版出版以來(lái)，腦科學(xué)領(lǐng)域經(jīng)歷了巨大的變革，新思想和新技術(shù)層出不窮。近年來(lái)的課堂討論中，學(xué)生們也提出了越來(lái)越多的新問(wèn)題。恰逢《腦科學(xué)的故事》第三版的出版，顧老師深入淺出地解讀了這些前沿問(wèn)題，這一修訂可謂恰逢其時(shí)。

2006年，Hinton提出深度學(xué)習(xí)理論框架；2012年，谷歌的DeepMind團(tuán)隊(duì)成功將其應(yīng)用于圖像識(shí)別，人工智能（AI）在理論和應(yīng)用上都取得了跨時(shí)代的進(jìn)步。在我寫(xiě)作之際，2024年諾貝爾獎(jiǎng)剛剛揭曉，Hinton獲得物理學(xué)獎(jiǎng)，而將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的Hassabis則獲得化學(xué)獎(jiǎng)。社會(huì)各界都在積極擁抱人工智能時(shí)代的到來(lái)，例如復(fù)旦大學(xué)在2024年推出了100門(mén)AI+課程，涵蓋了AI的基礎(chǔ)理論及其在各專(zhuān)業(yè)中的應(yīng)用。作為一位終身從事計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的學(xué)者，顧老師在新版中用通俗易懂的科普語(yǔ)言對(duì)AI進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)且公允的介紹。

在本書(shū)的“智能機(jī)器的故事”一章中，顧老師引用了“智能”的定義，區(qū)分了“技能”和“獲得技能的能力”，特別指出后者才是真正的智能，這有助于糾正大眾媒體中泛AI化的傾向。同時(shí)，這也緩解了人類(lèi)對(duì)AI取代人類(lèi)的焦慮，引導(dǎo)我們思考如何發(fā)掘人類(lèi)真正核心的智能，將AI視為人類(lèi)技能庫(kù)中的最新成員，正如歷史上對(duì)待文字、計(jì)算器和電腦的態(tài)度一樣。另一方面，顧老師特別提到，“技能是完成特定任務(wù)的能力，雖然可以很復(fù)雜，但缺乏適應(yīng)性”。這為固步自封的人和公司敲響了警鐘，因?yàn)椤凹寄堋闭悄壳癆I的強(qiáng)項(xiàng)。因此，這是一個(gè)最好的時(shí)代，也一個(gè)最壞的時(shí)代：前者適用于銳意進(jìn)取、靈活應(yīng)變的群體，他們將擁有強(qiáng)大的AI工具；后者適用于抱殘守缺、一招鮮吃遍天的群體，他們將逐步被AI取代。

對(duì)于人工智能的發(fā)展，新版書(shū)中介紹了“類(lèi)腦”和“腦啟發(fā)”兩種方向。前者認(rèn)為“人腦是世界上最聰明的系統(tǒng)”，后者則認(rèn)為“人腦是進(jìn)化的產(chǎn)物，進(jìn)化是個(gè)修補(bǔ)匠而非工程師”。因此，前者注重對(duì)人腦的仿真，后者則更關(guān)注人腦運(yùn)行中普適規(guī)律的應(yīng)用。目前主流的AI算法基本屬于后者，它們?cè)谔囟ㄈ蝿?wù)上可超越人類(lèi)。然而，這常常導(dǎo)致大眾對(duì)AI算法的迷信，甚至不再關(guān)注人腦的運(yùn)行機(jī)制。對(duì)此，顧老師特別指出“深度學(xué)習(xí)作為腦啟發(fā)的一個(gè)典型實(shí)例，啟發(fā)來(lái)自視覺(jué)系統(tǒng)中不同層次神經(jīng)細(xì)胞感受野的多重投射”，但“工程師通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，取得了舉世矚目的成就”。隨后的追隨者在這一原理框架上進(jìn)行參數(shù)改進(jìn)并不斷突破，卻往往忽視甚至輕視其本源。殊不知，當(dāng)算法遇到下一個(gè)瓶頸時(shí)，答案或許就在生物腦中。

事實(shí)上，隨著AI算法的不斷推進(jìn)，一個(gè)瓶頸逐漸浮現(xiàn)，那就是AI算法能耗的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。包括OpenAI在內(nèi)的領(lǐng)先科技公司都意識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題。解決方案之一是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上繼續(xù)投入大量電能，這使得新能源成為關(guān)注熱點(diǎn)；而另一個(gè)選擇則是降低實(shí)現(xiàn)算法所需的芯片能耗。后一種選擇正是本書(shū)中“神經(jīng)形態(tài)工程的故事”章節(jié)的重點(diǎn)。其依據(jù)在于人腦在處理海量數(shù)據(jù)時(shí)的能耗“幾乎與冰箱里燈泡相當(dāng)，大約只有20瓦”。因此，模擬神經(jīng)元運(yùn)算模式以大幅降低AI算法能耗已成為時(shí)代需求。這其中包括如何“超越馮·諾依曼架構(gòu)”，因?yàn)椤叭四X并沒(méi)有分離的中央處理器和存儲(chǔ)器，處理和存儲(chǔ)都是在本地完成”，這種方式顯著減少了兩者之間通信帶來(lái)的能耗。書(shū)中介紹了多種并行開(kāi)發(fā)的神經(jīng)形態(tài)芯片，它們各具特色，但“這些系統(tǒng)的共同點(diǎn)是采用脈沖發(fā)放神經(jīng)元作為基本元件，并通過(guò)脈沖進(jìn)行通信”。

從以上分享的內(nèi)容可以看出，顧老師對(duì)人工智能的介紹并不是簡(jiǎn)單的事實(shí)呈現(xiàn)，而是以一種貫穿始終的思辨精神進(jìn)行剖析。因此，本書(shū)并不是一本緊跟潮流的再版書(shū)。值得關(guān)注的是，這種思辨精神貫穿整本書(shū)，也是從第一版到第三版始終不變的核心：時(shí)代在變化，內(nèi)容在推陳出新，但思辨精神永遠(yuǎn)不變。

這種變與不變的特性同樣體現(xiàn)在其他章節(jié)中。在近年來(lái)備受關(guān)注的腦機(jī)接口技術(shù)領(lǐng)域，顧老師進(jìn)行了大量增訂。十多年前的第一版中，他提到腦機(jī)接口的主要問(wèn)題是“如何長(zhǎng)期安全地將電極植入人腦，并可靠地檢測(cè)信號(hào)”。近年來(lái)，這些主要問(wèn)題得到了顯著改善，顧老師在第三版中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。在“神經(jīng)聯(lián)接公司的故事”一章中，他系統(tǒng)介紹了“柔性多絲電極陣列”如何提升安全性和長(zhǎng)期性，“聯(lián)結(jié)芯片”如何實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸與快速信號(hào)解碼，以及“手術(shù)機(jī)器人”如何在無(wú)需專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)的情況下，自動(dòng)化安全地植入大量電極。但需要指出的是，盡管技術(shù)已盡可能減少創(chuàng)傷，這一技術(shù)仍屬于有創(chuàng)的腦機(jī)接口。在“腦血管‘支架’”一章中，顧老師介紹了一種近乎無(wú)創(chuàng)的技術(shù)，“通過(guò)血管將電極陣列送入皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)”，從而“就近監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元的活動(dòng)”。2022年，一家澳大利亞初創(chuàng)公司成功將該技術(shù)應(yīng)用于一位漸凍人患者，使其能夠發(fā)電子郵件、網(wǎng)購(gòu)和召喚醫(yī)療服務(wù)。這些激動(dòng)人心的技術(shù)遵循著不變的神經(jīng)科學(xué)原則，因此第一版與第三版之間保持高度一致，但十余年的科技進(jìn)步則為人類(lèi)提供了更強(qiáng)大的實(shí)現(xiàn)手段，克服了之前的主要技術(shù)障礙。

類(lèi)似的增訂在第三版中比比皆是，讀此書(shū)，品味變與不變，令人感慨萬(wàn)千?！赌X科學(xué)的故事》從第一版到第三版出版已有13年，顧凡及老師也已年過(guò)八旬。然而，他始終筆耕不輟，與時(shí)俱進(jìn)，知識(shí)在不斷更新變化，而思辨精神卻始終如一。這恰恰反映了本書(shū)中強(qiáng)調(diào)的腦與智能的特點(diǎn)，在人工智能風(fēng)起云涌的時(shí)代背景下，更顯得彌足珍貴。

作者自序

2004年退休以后，一直想做一點(diǎn)自己感興趣、而在上班期間沒(méi)有時(shí)間做的事；也希望自己在退休之后還能對(duì)社會(huì)有點(diǎn)貢獻(xiàn)。比較切實(shí)可行的是為廣大讀者，特別是青少年讀者寫(xiě)一些有關(guān)腦科學(xué)的科普讀物。

回憶我之所以走上科學(xué)之路，中學(xué)時(shí)代讀科普書(shū)是最大動(dòng)因，尤其是別萊利曼的《趣味物理學(xué)》《趣味力學(xué)》《趣味天文學(xué)》《趣味代數(shù)學(xué)》《趣味幾何學(xué)》等既十分有趣，又有硬核科學(xué)內(nèi)容的書(shū)使我如癡似醉。所以當(dāng)我想寫(xiě)科普書(shū)時(shí)，首先想到的就是希望自己也能寫(xiě)出一本類(lèi)似于別萊利曼作品那樣的兼具科學(xué)性和趣味性，還希望能與時(shí)俱進(jìn)，兼具前沿性的趣味腦科學(xué)科普書(shū)。這對(duì)我是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。在我的科學(xué)生涯中，以往寫(xiě)東西時(shí)多只注意科學(xué)性，有時(shí)適當(dāng)注意一下可讀性，幾乎完全沒(méi)有考慮過(guò)趣味性。雖有別萊利曼的楷模在前，但是如何做到這一點(diǎn)，是否能為一般公眾，特別是青年學(xué)生寫(xiě)出滿(mǎn)足上述所有要求的書(shū)，心中并無(wú)多少把握。但是，正是這種挑戰(zhàn)給我?guī)?lái)歡樂(lè)。由于我以前在上?？茖W(xué)技術(shù)出版社出版過(guò)一本譯作，所以當(dāng)我把這些想法和出版社的同仁談了之后，承蒙他們的支持，覺(jué)得可以一試。這樣我們就把這本書(shū)的讀者群定位在具有中學(xué)文化程度以上對(duì)腦感興趣的一般公眾，目的是要引起公眾，特別是青年學(xué)生對(duì)腦科學(xué)的興趣，以講故事的形式向他們介紹腦科學(xué)的基本知識(shí)。

在目標(biāo)確定以后，我就把這件事當(dāng)作科研一樣來(lái)做，首先是搜集和篩選盡可能多的材料，當(dāng)然標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)性、趣味性和前沿性。我大量翻閱了復(fù)旦大學(xué)本部圖書(shū)館里有關(guān)腦和心智的藏書(shū)，對(duì)其中有些書(shū)讀了又讀，并把精彩的地方隨時(shí)記錄下來(lái)。我又在網(wǎng)上搜索了六七百位國(guó)外科學(xué)家的網(wǎng)頁(yè)和有關(guān)腦科學(xué)的科普網(wǎng)頁(yè)，從中找到了不少好材料。我也多次和國(guó)內(nèi)外同行講到我的這一新目標(biāo)，得到了他們的鼓勵(lì)和支持，其中一些朋友還給我介紹了好些有趣的材料。在這些材料的基礎(chǔ)上，加上我40多年的工作積累，經(jīng)過(guò)4年多的辛苦，終于搭起了一個(gè)架子，寫(xiě)出了一個(gè)草稿。對(duì)這個(gè)草稿我前后修改了8遍，盡管還不很滿(mǎn)意，覺(jué)得還需要補(bǔ)充和潤(rùn)色，但是也不能久拖不決，無(wú)限期地修改下去，總得有個(gè)階段性的結(jié)果。因此終于下決心，在2011年出版了本書(shū)的第一版。

令筆者感到欣慰的是，初版出版以后得到了讀者的認(rèn)可，并獲得了2015年第十一屆上海科普教育創(chuàng)新獎(jiǎng)成果獎(jiǎng)（圖書(shū)類(lèi)）二等獎(jiǎng)和2016年上?？萍歼M(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。雖然如此，從初版出版到今天已經(jīng)過(guò)去了十幾年，腦科學(xué)又有了許多新的發(fā)展，特別是在腦科學(xué)和信息科學(xué)技術(shù)的交叉領(lǐng)域（本書(shū)的最后一章），這種發(fā)展更為迅速，需要更新和補(bǔ)充，甚至近乎重寫(xiě)。另外，因?yàn)槌醢媸枪P者科普寫(xiě)作的第二本書(shū)，無(wú)論從對(duì)腦科學(xué)本身的理解還是寫(xiě)作技巧方面都還很不成熟，因此，在目標(biāo)不變的大前提下，是出版一本修訂版的時(shí)候了。筆者的這一愿望得到了上?？茖W(xué)技術(shù)出版社包惠芳主任的大力支持。好在這十幾年來(lái)，筆者一直沒(méi)有停止過(guò)學(xué)習(xí)，以及對(duì)材料的搜集和閱讀，還不至于“愚夫難為無(wú)米之炊”；不過(guò)反過(guò)來(lái)說(shuō)，材料太多，而全書(shū)的篇幅又不能增加太大，如何選擇倒成了不大不小的難題。

筆者自問(wèn)在修訂本書(shū)時(shí)已經(jīng)盡力而為了，除了重寫(xiě)的部分之外，對(duì)全書(shū)也前后修改了5遍，不過(guò)由于水平所限，一定還有許多缺點(diǎn)，甚至可能有錯(cuò)誤，希望讀者不吝指正。

顧凡及

2024年元旦序于復(fù)旦大學(xué)

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