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脑科学和类脑智能的发展前景展望
发布时间:2023-11-07 15:34:09      点击次数:123

来源:人民论坛

作者:杨丹辉

 

【摘要】脑科学和类脑智能作为人类发现自身机能、激活终极创造力的源头,是现代科学研究最具挑战性的领域之一。随着新一轮科技革命和产业变革深入发展,世界主要经济体竞相加大投入力度,前瞻布局“脑计划”,大国科技竞争呈现向基础端前移的态势。近年来,我国脑科学研究日益活跃,确立了“一体两翼”的研究体系和战略架构,在“理解脑、修复脑、模拟脑”三个方向上积极寻求突破。鉴于脑科学的基础性、系统性和复杂性,应做好顶层设计,加强协同创新,鼓励开展多学科交叉研究,推动生命科学、医疗健康、人工智能等前沿科技创新和未来产业发展,促使脑科学和类脑智能的重大成果持续惠及产业变革、人类健康和社会进步。

【关键词】脑科学 类脑智能 前沿科技 未来产业 前瞻布局

人脑拥有近1000亿个神经元和约100万亿个连接,可称得上是已知宇宙当中最复杂的构件,也是人类区别于其他生物最具标识性的功能器官之一。科学、全面地破解人脑之谜,不仅有助于找出困扰生命健康的诸多疾患之症结所在,而且将有力地推动类脑智能的深度开发利用。千百年间,人类从未停止过对大脑的探索。近现代医学、生物学体系逐步完善带动了人脑研究不断向纵深发展。伴随着新一轮科技革命和产业变革浪潮,世界主要经济体纷纷加大投入力度,前瞻布局脑科学和类脑智能,力图揭示人脑的生命密码和工作机理,引领生命科学、医疗健康、仿生科技、人工智能、军事安防等前沿科技和未来产业的创新发展。

 

世界主要经济体推出“脑计划”的主要进展及影响

第一,世界主要经济体“脑计划”发展现状。脑科学是研究大脑结构和功能的学科,旨在发现人与动物认知、意识、智能的本质及其规律,被视为理解人和自然的“终极疆域”。过去十余年间,世界主要经济体的大规模投入、高密度布局将脑科学推向了全球创新热点和科技竞争焦点。2013年,欧盟、美国几乎同步启动了脑科学计划。其中,欧盟的“人脑计划”(Human Brain Project)首期获得了来自“未来和新兴技术旗舰项目”10亿欧元的资助,该计划意在发挥欧洲领先科研基础设施的优势,在神经科学、计算机以及与脑科学相关的医学领域开展为期10年的科学探索和研发创新。同年,美国推出了“创新性神经技术大脑研究”计划(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies,简称BRAIN),这项雄心勃勃的美国版“脑计划”投入研究经费总计高达近50亿美元,设立了生成多尺度大脑图谱、认清人脑基本功能及工作原理、展示个体脑细胞和复杂神经环路时空相互作用机制等宏大且具象的科学目标。继欧盟和美国之后,日本于2014年发布了名为“综合神经技术用于疾病研究的脑图谱”(Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies,BRAIN/MINDS)的脑科学计划,由日本文部科学省、日本医学研究与发展委员会在10年内提供3.65亿美元经费,用于绘制灵长类动物(狨猴)的脑图谱,为精准了解人脑机理打下科学基础。

第二,主要经济体推出“脑计划”的内在动因。除了美国、欧盟、日本,加拿大、澳大利亚、韩国等国家和地区也先后制定了独立的脑科学和类脑智能计划,或者做出了跟随性的策略安排。值得注意的是,对人脑的深入研究及相关领域成果的集中产出业已持续了半个多世纪,此番主要科技和工业大国不约而同地实施“脑计划”,背后有着更深层的动因。首先,从科学史的角度观察,经过数轮科技革命,人类越来越迫近认知的“前沿线”。对于那些有关宇宙演化和生命本源的“根问题”,只有调动、集成多学科的知识积累,通过数理科学与生命科学、信息技术与材料科学、工程学与医学的深度融合,才能实现颠覆性创新,获得实质性突破,这也意味随着重大科学发现和关键技术创新对团队的依赖程度显著提高,政府的战略布局和创新规划将在科学发展和科技竞争中发挥日益重要的作用。脑科学恰恰属于人类认清自我的“根问题”,仅靠个人单打独斗几乎不可能攻克脑科学和类脑智能及其细分领域的科学难题,也很难走完科技成果产业化过程,政府主导的大型脑科学研究项目在一定程度上有利于撬动多元化的社会资本和科研资源,分散基础研究难度大、投入多、周期长带来的风险,克服前沿科技催生出的未来产业发展的不确定性。

其次,就现实需求而言,一方面,随着人类寿命延长,加之社会生活日益多样化、人际交往趋于复杂,世界范围内自闭症、抑郁症、精神分裂症、阿尔茨海默症等与神经元发育不全、认知障碍、脑功能损伤相关的疾患发病人数快速增加。此类疾病不仅严重影响患者身心健康,而且给个人、家庭和社会造成了沉重的负担。世界卫生组织预计,到2030年,抑郁症的总体医疗负担将跃升至世界第一位。对于人均寿命较长、精神压力普遍偏大的发达国家来说,居民脑健康面临的形势更为严峻。目前,全球抑郁症的平均发生率约为3.1%,发达国家这一比率接近6%,不断激增的医疗支出和社会成本导致政府、家庭、公共卫生系统不堪重负。另一方面,作为新一轮科技革命的通用技术和主导产业,近年来人工智能技术突飞猛进,在多个方向上开始转入产业化、市场化、规模化应用阶段。从技术演进的动力及趋势上看,人工智能未来发展归根结底取决于脑科学和类脑智能的关键性突破。只有全面吸收、融合来自认知体系结构、计算神经科学与人工智能的科学理论及其进展,才能为真正意义上的脑机智能奠定科学性的未来。主要发达国家的“脑计划”正是基于上述两方面的迫切需要,重点资助两条研究主线:在发现大脑工作原理基础上,一是探寻脑病的症结,研发有效的药物、器械和治疗方案,提升脑健康水平,缓解老龄化社会压力;二是开发出能够模拟人脑运作原理的新一代信息技术和人工智能,尝试在类脑微处理器和类脑计算架构上开展新型计算,进而拓展脑机接口、类脑计算芯片、人工神经网络等具有产业化前景的应用方向。

第三,发达国家“脑计划”进展情况。综上可见,主要经济体前瞻布局脑科学和类脑智能,既是科学活动自身发展的必然结果,也是面向现实需求的战略选择。同时还应看到,脑科学和类脑智能的蓬勃兴起在很大程度上得益于前期积累的研究基础和趋于完备的客观条件。在这些因素共同推动下,美、欧、日的“脑计划”经过近十年的实施和升级,总体上取得了以下方面的进展:

一是重要成果相继涌现,实现了多项阶段性目标。如在其国家“脑计划”资助下,美国科学家于2021年发布了在分子水平上绘制的哺乳动物初级运动皮层细胞类型特征图,该成果是迄今为止最全面、最细致展示哺乳动物大脑的科学图谱;日本也在其“脑计划”实施4年后完成了该项目的核心科学任务,成功绘制出狨猴大脑的3D图谱,为研究人类帕金森症的分子机制提供了实验和病理依据;欧盟则提出了立足于充分实验结果的全新人脑理论模型。二是搭建了脑科学研究平台。其中,由26个国家、135家研究机构参与的欧盟“人脑计划”需要整合的科研资源庞杂,因而欧盟十分注重平台建设。自实施以来,欧盟“人脑计划”先后建立了神经信息学、大脑仿真、神经计算、神经形态计算、人工智能机器人和医疗大数据6个科研和数据平台。同时,打破“脑计划”的体制边界,向非计划内(包括非欧盟)的科学家开放脑科学数据,促使欧盟“人脑计划”发展成为全球规模最大的脑科学创新平台。值得注意的是,发达国家的“脑计划”均强调了数据的重要性。目前,美国、欧盟、日本、澳大利亚等国都在尝试以不同形式开放、共享其脑科学研究和类脑智能开发取得的最新数据。三是开展多种形式的国际交流合作。在脑科学研究过程中创新跨学科、跨区域科研组织方式的必要性方面,主要经济体已达成共识。现阶段,不仅在国家层面形成了框架性合作,而且各类科研机构、研发团队以及科学家之间的跨国合作交流也呈现出多样化、机制性的特点,由多国共同发起的国际脑科学计划(IBI)等全球性国际合作组织日益活跃。四是各国“脑计划”相继完成升级,推动脑科学和类脑智能研究进一步深化。目前,欧盟“人脑计划”已经完成“快速启动”和“正式运作”两个阶段,转入最后3年的“稳定实施”阶段,科学家的工作重点开始聚焦于开发能够模拟人脑运作原理的超级计算机和创新脑疾病的治疗方案;2022年,美国确立了“脑计划2.0”及新一轮科学目标,将在2020年—2026年交出全面的人类大脑细胞图谱,绘制完整的哺乳动物大脑微连接图谱,研制精确获取大脑细胞类型的工具;日本则启动了“脑跃升计划”(Brain/Mind Beyond),设立了发现和干预初期的神经疾病、分析从健康状态到患病状态的大脑图像、开发基于人工智能的脑科学技术、比较研究人类与灵长类动物的神经环路、划分脑结构功能区域并开展同源性研究五大研究重点。

发达国家“脑计划”实践表明,进入21世纪,科学范式演进推动了创新机制和科研组织的变革,探索人脑奥秘这类“根问题”不再囿于科学家个人的学术理想和研究兴趣,亦非局限于研发团队或科研机构的短期目标和单一方向,而是已然上升为国家战略,并以政府多方位参与,通过大规模、高强度、跨学科、长周期的协同创新方式来组织实施,同时也反映出新科技革命引发全球科技竞争不断升级,呈现出不断向基础学科、前沿领域、未来产业前移和扩散的态势。

 

中国脑科学体系建设及特点

 

虽然处在不同发展阶段,国情存在差异,但我国推动脑科学研究和类脑智能开发所面对的客观需求却与发达国家有相似之处。从脑疾病发生现状和趋势看,中国人口众多,工业化、城镇化的后发特征突出。在由传统社会加速向工业化现代社会转型过程中,随着物质财富积累、生活水平提高,生产生活方式巨变也带来了一系列社会冲击和精神压力,精神类疾病发病率随之快速上升。同时,我国人口老龄化规模大、进程快、高龄化程度高,由此引发的各类老年性脑疾病患病人数逐年增长,导致医疗、助老、养老负担急剧攀升,认知障碍等脑疾病的总体负担排名已经超过了肿瘤、心血管疾病等重疾,加剧了中国社会“未富先老”的隐忧和矛盾。另外,脑疾病还是我国致残致死率最高的病因之一,其发病机理亟待揭示,提供有针对性的解决方案迫在眉睫。

再从类脑智能开发的动因看,我国工业体系完整,国内市场规模庞大,为人工智能发展提供了丰富的应用场景。近年来,相关领域研发创新、场景开发、资本运作日益活跃,对制造业、安防技防、公共卫生的赋能效应显著增强。现阶段,在人工智能领域,我国与主要发达国家各有优势,一些细分方向上处在同步并跑的水平,但对于这样一个急剧扩张又充满不确定性的新兴行业而言,市场主体的技术积淀尚不够厚重,各国产业优势并不稳定。一旦发生颠覆性技术突破和关键性商业模式创新,必将打破产业组织和竞争格局,削弱先发优势。如前所述,这一赛道的终极对决很可能会落在模拟人脑、复刻人脑的层面,因而作为人工智能产业大国,脑科学和类脑智能毫无疑问将成为我国科技战略和重大创新工程的必选项。

瞄准全球科学发展新热点和科技竞争新趋势,我国高度重视脑科学和类脑智能的战略布局。2016年编制的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》将“脑科学与类脑研究”列为国家重大科技创新和工程项目;2021年,科技部发布了《科技创新2030——“脑科学与类脑研究”重大项目2021年度项目申报指南》,仅2021年国家就计划投入近31.48亿元资金,以资助相关领域重大项目的形式推动“中国脑计划”加快落地,预计后续经费投入将会更多。与此前发达国家推出的“脑计划”相比,我国脑科学和类脑研究在挑战前沿领域、攀登科学高峰、增进人类福祉、培育未来产业等方面有相近的导向,又在学科体系构建、科学目标设置、项目组织实施、产业化方向上表现出鲜明的特色。

第一,确立了“一体两翼”的脑科学和类脑研究体系。这里的“一体”是指“理解脑”,通过从分子细胞、功能环路、全脑网络到认知行为的多维度研究,以研究脑认知的神经原理为主导方向,对认知形成的基本原理进行系统性科学探索,旨在发现规律、指导应用。这部分工作属于典型的基础性研究,也是中国脑科学体系的核心和主体;“两翼”则各自对应“修复脑”和“模拟脑”,前者要求建立脑疾病诊断与干预方法,强调重大脑疾病预防、诊治及数据积累,后者着重推进与脑机智能相关的理论、算法和硬件开发,这“两翼”分别呼应了脑科学和类脑研究指向的两大社会需求——脑健康水平提升和人工智能深度开发。其中,“一体”贡献科学发现,为“两翼”提供理论支撑;“两翼”助推理论成果落地,产出经济和社会效应,三者同频共振。在这一体系架构下,《科技创新2030——“脑科学与类脑研究”重大项目2021年度项目申报指南》围绕脑认知原理解析、认知障碍相关重大脑疾病、类脑计算与脑机智能、儿童青少年脑智发育研究、技术平台建设五大领域,部署了59个研究方向。总体上看,中国脑科学和类脑研究内容更加广泛,学科脉络非常清晰。

第二,形成了“两个中心、多点协同”的区域格局。鉴于脑科学研究对顶尖科学家和优质创新要素有很高要求,显然更适合开展集聚创新,因此,根据中国“脑计划”布局,北京、上海均已启动“脑科学与类脑智能”地区性计划,并开始资助相关研究项目。对于北京和上海来说,其具有高校和科研机构云集、研究基础扎实、人才流动便利、国际化程度高、地方政府扶持力度大等突出优势,在这两地建立脑科学与类脑研究中心,打造世界一流的脑科学研究高地,可为开展更紧密的国际交流合作创造有利条件。

第三,设置了较为具体的科研目标。我国脑科学和类脑智能研究沿用现行的基金项目管理方式,发布了包括定向委托项目、定向择优项目、公开择优项目、平台项目,以及专设的交叉学科和青年人才项目等多种形式的研究项目。与此同时,对一些细分领域项目完成情况进行量化考核,如提出通过建立中国人脑健康多维度大数据库,将孤独症、抑郁症、阿尔兹海默症等主要脑疾病国际临床指南中的中国证据提升至超过三分之一等。

第四,类脑智能成为地方政府重点推动的未来产业。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出,要在类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发、氢能与储能等前沿科技和产业变革领域,前瞻谋划布局一批未来产业,为壮大前沿科技创新实力、攻克关键技术、塑造未来产业生态、应对激烈的大国竞争提供了有力支撑。在国家战略引导下,地方政府积极跟进,多个省市将类脑智能及相关领域作为着力发展的未来产业纳入当地“十四五”发展规划,包括上海的脑机融合,山东、辽宁、重庆的类脑智能,以及浙江的类脑芯片等。

 

当前全球脑科学和类脑智能研究面临的挑战与前景展望

第一,目前全球脑科学和类脑智能研究尚未实现系统性突破。近年来,在各国积极开展战略部署的推动下,脑科学和类脑智能引起了各界高度关注,相关领域投入力度持续加大,创新活动日益活跃,具有引领性的成果不断涌现,产业化应用亮点频出。但客观地看,该领域并未发生系统性、整体性突破,也没有迎来科学界公认的革命性贡献,研究成果的阶段性、分散性特点突出。大数据和人工智能的广泛应用为脑科学研究提供了有力手段,脑病研究需要大样本支持,脑神经图谱的生成同样倚重大数据,然而迄今为止,人类对人脑工作机理的了解仍非常有限,仅占人脑全貌的约5%—10%,尚有大量基础性科学问题有待破解,由脑科学衍生出的生命健康、人工智能、仿生科技等未来产业发展仍存在诸多不确定性。出现这种状况的根本原因在于人脑的生理构造十分复杂,尽管有了生命科学和大数据等领域的最新工具和成果作为支撑,但脑科学研究难度大的局面未能从根本上扭转,对脑结构和功能的认识始终面临解剖、显微成像、弱信号检测等技术的限制。

第二,脑科学和类脑智能领域国际合作不够充分。虽然发达国家之间在相关领域的交流合作相对较为顺畅,但总体而言,在新工业革命初期,为抢占新兴领域制高点,全球科技和产业竞争多于合作,美西方加紧争夺优质科技资源,对包括顶尖科学家在内的高端要素流动设置障碍,不利于脑科学和类脑智能及相关领域开展开放式集成创新。

第三,脑病研究与类脑智能开发需进一步融合。作为“一体两翼”的两条科学脉络,相互促进为“一体”服务,但现阶段乃至未来一段时间内,在学科分立、研究方法、数据共享等方面,这“两翼”之间的融合发展有待进一步加强。可以看到,脑病研究与类脑智能开发及其各自的细分领域较为不同。不仅参与主体不同,价值实现也面临着明显的差异和分化。脑病研究主要由政府推进,以科研机构和医疗单位为主体,而由于类脑智能在很大程度上决定了未来人工智能技术演进和硬件迭代的方向,因而吸引了政府、企业、社会资本等多元化的参与方,类脑智能作为未来产业的投资前景和价值创造的潜力逐渐释放。此外,脑机接口技术虽未达到自然交互的沟通速度和准确性,但正在努力克服人体排异反应及颅骨向外传输信息的减损等难题,技术爆发同样值得期待。相比之下,对于认识脑和保护脑这类公共性强、竞争性偏弱的领域,长期高额投入可能仅带来社会效益的回报,换言之,投入回报更多地体现在降低社会成本而非直接创造经济价值。

第四,脑科学和类脑智能研究的科学伦理是不容回避的问题。科学伦理的话题始终伴随着各国“脑计划”的实施,美国、日本等国家均在其“脑计划”中提出了伦理指南,或者设立了与生命伦理有关的专门部门。需要清醒地认识到,脑科学和类脑智能的科学伦理治理实则面临着“两难”,在这一高度敏感、风险多样化的科学领域,如何实现既有效激励探索和创新,又不触碰伦理风险和道德底线,这不单取决于公共治理水平的高低,也是对科学家及团队自身的长期考验。特别是面对该领域的科学活动和产业化进程主要由少数大国推动,却需要欠发达国家和地区不同性别、种族的群体贡献实验样本和个人数据的不均衡、不协调局面,科学伦理问题变得尤为尖锐。因此,脑科学和类脑智能的伦理治理除了需要解决科技资源筹集及其配置的效率问题,更要预判重大风险,合理分配道义责任。

即便困难重重,但时至今日,全球脑科学和类脑智能开发热度不减,仍是国际科技竞争的焦点领域和未来产业培育的重要方向。无论从研究开发的深度、难度,还是从核心成果的潜在影响力来看,对人脑的探索和认识不仅需要大规模的长期投入,而且有必要形成一整套包容更多创新失败、消纳产业化更大不确定性的机制性安排,同时还应具备深入推进国际合作,并在依法保护知识产权前提下,对相关领域的基础性重大成果向全世界开放、实现人类共有共享的视野和格局。

为此,应密切追踪全球脑科学和类脑智能发展动向,在现行“一体两翼”架构下,面向老龄化社会的紧迫需求,鼓励科研机构树立原创导向,开展跨学科交叉研究,探索形式多样、灵活有效的激励机制。立足超大规模国内市场,着力攻克类脑芯片、人工神经网络、脑机接口等核心技术和关键硬件,突破人工智能发展中的数据、泛化、能耗等瓶颈,巩固提升我国人工智能大国的地位。同时,坚持开放创新,资助跨国团队的合作研究,共同培养脑科学和类脑智能领域的青年科学家。凝聚国际共识,建立完善与脑科学和类脑智能相关的科学伦理治理框架和规范体系,通过更广泛的对话,形成更包容的舆论导向,消除生命伦理、数据安全、隐私保护以及责任划分等方面的风险,为相关领域的科技研发、科研管理、产业应用等人员提供道德、伦理、法律等方面的培训,提高伦理风险的识别能力和安全事件管控水平,促使脑科学和类脑智能的重大科学发现及产业化应用能够持续惠及产业发展、人类健康和社会进步。


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