研究大腦，必須得先虛擬個(gè)大腦

原標(biāo)題：研究大腦，必須得先虛擬個(gè)大腦

最近德國(guó)科學(xué)家作了一項(xiàng)研究，其通過(guò)構(gòu)建一個(gè)重度抑郁癥計(jì)算模型，來(lái)揭示重度抑郁癥對(duì)老年人的記憶和遠(yuǎn)期記憶的影響。如果這個(gè)計(jì)算模型是正確的話，則表明重度抑郁癥可能會(huì)對(duì)老年人的短暫記憶甚至是長(zhǎng)遠(yuǎn)的記憶產(chǎn)生毀滅性的影響。

引起我們關(guān)注的不僅僅是其對(duì)抑郁癥影響老年人記憶的關(guān)注，更在于其研究方式：建立大腦計(jì)算模型，即虛擬大腦。研究人員通過(guò)捕捉病人的大腦特征，成功測(cè)試了其模型存儲(chǔ)和和回憶新記憶的能力。并且發(fā)現(xiàn)，在抑郁癥發(fā)作的時(shí)候，大腦模型中形成了較少的神經(jīng)元。

通過(guò)構(gòu)建“虛擬大腦”來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的研究，可能是當(dāng)下最普遍也最靠譜的方式了。理論上來(lái)講，如果能夠做到真正地還原大腦，就可以揭示出大腦的奧秘，進(jìn)而解決諸多疑難雜癥。實(shí)際上，限制虛擬大腦功用的，正是模型完善度的不足。

或許，是時(shí)候了解一下到底何為“虛擬大腦”了。

大腦之難，難于上青天

大腦可以說(shuō)擁有著整個(gè)人體當(dāng)中最復(fù)雜的運(yùn)行機(jī)制。若干年來(lái)，人類逐漸對(duì)身體的各個(gè)器官、組織的形狀、成分構(gòu)成、具體功用有了明確的認(rèn)知，卻唯獨(dú)在大腦面前仍然是一個(gè)小學(xué)生。在弄清楚了自己的生理運(yùn)行機(jī)制之后，人類非常想弄清楚關(guān)于精神和意識(shí)方面的內(nèi)容，并且毫不懷疑地將這些內(nèi)容的儲(chǔ)藏地指向了大腦。

然而要想對(duì)大腦做出更深層次的研究，人們毫無(wú)疑問需要跨過(guò)好幾個(gè)檻兒。

首先，大腦實(shí)在是太脆弱了。從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，我們大腦是在堅(jiān)固的頭骨的護(hù)佑之下運(yùn)行活動(dòng)的。之所以被頭骨包圍，就是因?yàn)榇竽X本身很軟，要不怎么都說(shuō)“豆腐腦”呢。但是要對(duì)大腦進(jìn)行研究，就必須要觸碰到這些軟軟的本體，如果操作失誤，很可能會(huì)給病人帶來(lái)無(wú)法挽回的損失。并且大腦上布滿了密密麻麻的神經(jīng)元，隨便動(dòng)壞哪一塊兒下半輩子可能都不好受。所以，研究活體大腦是一件爭(zhēng)議很大的問題，即便是用拿病人來(lái)做研究，也存在面臨未知風(fēng)險(xiǎn)的可能。

正是由于腦損傷的不可逆性，我們無(wú)法直接把手術(shù)刀伸進(jìn)病人的大腦里左沖右突。在此之前，借助現(xiàn)代的醫(yī)療手段，比如讀取腦電波、做ct、腦部磁共振等，本質(zhì)上都是對(duì)大腦狀態(tài)的復(fù)制和還原。但是其仍然存在一個(gè)問題：病人的大腦是處于變化之中的，利用這些檢查做出的判斷在嚴(yán)格意義上來(lái)講都是“過(guò)去”的情況?？赡芤惶彀胩斓臅r(shí)間對(duì)處理一些常規(guī)的大腦疾病問題不大，但要破解大腦的奧秘，可能需要的就是實(shí)時(shí)的跟蹤，而非總是落后一步。

而正因?yàn)榇竽X里可能藏著決定“人是人”的密碼，在對(duì)其進(jìn)行研究的時(shí)候還會(huì)經(jīng)常面臨倫理問題。比如對(duì)大腦的干預(yù)活動(dòng)很可能會(huì)影響一個(gè)人的性格的改變。如果能讓一個(gè)花花公子變成個(gè)謙謙君子倒還好，畢竟誰(shuí)都喜歡；但是如果變成了地痞流氓怎么辦？還能找醫(yī)生再要一個(gè)人出來(lái)嗎？

所以我們看到科學(xué)家們更多地選擇對(duì)動(dòng)物的大腦進(jìn)行研究，以此試圖找到對(duì)人類大腦研究的啟示。這項(xiàng)工作誠(chéng)然很有意義，但如果邁不到對(duì)人類大腦研究的那一步，其似乎永遠(yuǎn)都與最終目標(biāo)差了一個(gè)階段。

所以，大腦自身的復(fù)雜脆弱性、現(xiàn)代通用研究技術(shù)的限制性、倫理的爭(zhēng)議性以及他物推及的不便性，似乎都在呼喚著新的大腦研究手段的到來(lái)。而虛擬大腦的提出，可能將會(huì)是對(duì)這些呼喚的最好的回應(yīng)。

離我們很近的實(shí)體大腦

目前來(lái)講，虛擬大腦主要有四種表現(xiàn)形式：3D打印模型、計(jì)算機(jī)虛擬模型、全息成像還原大腦場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的大腦。

3D打印目前來(lái)講已經(jīng)相當(dāng)成熟，其在醫(yī)療方面的應(yīng)用目前看來(lái)大有燎原之勢(shì)。在醫(yī)療領(lǐng)域推廣的過(guò)程中，3D打印被廣泛用于各種手術(shù)的術(shù)前模擬當(dāng)中。這樣可令手術(shù)變得可重復(fù)，從而可以大大提高手術(shù)的成功率，降低風(fēng)險(xiǎn)。開顱手術(shù)對(duì)3D打印模型的應(yīng)用自然是非常迫切的。以目前3D掃描的技術(shù)精度，打印出來(lái)的大腦模型能夠精確地展現(xiàn)患者的血管和神經(jīng)結(jié)構(gòu)。難道這就夠了嗎？當(dāng)然不夠。只是呈現(xiàn)出大腦的形狀已經(jīng)不能滿足科學(xué)家們的胃口了，最近他們正在測(cè)試不同的材料，以為3D打印的大腦添加觸覺。如果其能成功，可能就意味著這個(gè)虛擬大腦從此有可能成活了。

而3D大腦存在的一個(gè)缺陷是，其可能由于算力的不足而導(dǎo)致對(duì)大腦的還原度不夠，比如一些細(xì)微的血管、神經(jīng)等。那么，提高模型的精度也就成為了3D打印大腦模型的重要工作。在這方面，德國(guó)尤利希研究中心的科學(xué)家們則利用了深度學(xué)習(xí)的方法來(lái)分析數(shù)千個(gè)超薄的大腦組織切片，然后在重新建立3D模型。

可以說(shuō)，3D打印大腦是“看得著”的一種虛擬大腦，它是專為解決醫(yī)療問題而生的。而與之對(duì)應(yīng)的實(shí)體虛擬大腦，則更能引起我們的興趣。

在討論這個(gè)之前，我們首先需要確定一下：我們所說(shuō)的虛擬，是有別于一個(gè)人天然而生的大腦而言的。也就是說(shuō)，除了從娘胎里帶出來(lái)的是真實(shí)大腦之外，其他的任何無(wú)論是做出真實(shí)的可觸性大腦還是基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的大腦，都是我們所說(shuō)的虛擬大腦。

然后，我們可以討論一下另一種實(shí)體大腦：實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)大腦。

人工已經(jīng)能夠制造出大腦了？是的，這已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。

美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)出了第一個(gè)幾乎完全成型的人類大腦。這個(gè)大腦一厘米見方，其發(fā)育程度大約相當(dāng)于5周的嬰兒。該大腦由體細(xì)胞被誘導(dǎo)才成為不成熟的干細(xì)胞之后通過(guò)編程為腦細(xì)胞生長(zhǎng)。而英國(guó)的劍橋大學(xué)也培養(yǎng)出了在5個(gè)月長(zhǎng)到4毫米見方的人造大腦，其擁有超過(guò)200萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元。而相似之處在于，這些人造大腦全都是沒有意識(shí)的。

按照如今科技發(fā)展的速度，未來(lái)培養(yǎng)出完全適用于人類的大腦應(yīng)該不是什么難事。而一旦此項(xiàng)技術(shù)成熟，其將可以被用來(lái)研究大量的醫(yī)療難題，尤其是精神方面的疾病，比如自閉癥、阿爾茨海默癥、帕金森氏癥、精神分裂癥等等。這些人造大腦將會(huì)為真正的大腦實(shí)驗(yàn)提供無(wú)限的可能。

但是大腦又不同于身體的其他器官，一旦人造大腦產(chǎn)生了意識(shí)，那么科學(xué)家們對(duì)它的研究也一定會(huì)再次遇到倫理方面的問題。在攻克疾病和倫理之間，人類就必須要做出一個(gè)選擇。

看起來(lái)很遠(yuǎn)的“真·虛擬大腦”

在計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域，虛擬大腦則顯得更為科幻一點(diǎn)。

比如在2013年，華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院、西班牙龐培法布拉大學(xué)和其他幾個(gè)歐洲大學(xué)共同完成了一個(gè)用于研究大腦解剖學(xué)構(gòu)造如何幫助產(chǎn)生和維護(hù)休息狀態(tài)的大腦網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)模型。研究人員通過(guò)該模型來(lái)將大腦傷害和其他原因?qū)е碌拇竽X網(wǎng)絡(luò)損傷和記憶力、注意力等問題聯(lián)系在一起進(jìn)行研究。比如說(shuō)，將中風(fēng)等傷害加入到模型當(dāng)中，來(lái)觀察部分細(xì)胞受到摧殘以后大腦功能的影響。

研究結(jié)果還是非常令人滿意的，其觀察的模擬情況基本與人類差別不大。但是僅僅20分鐘的大腦模擬，就需要功率強(qiáng)大道德計(jì)算機(jī)連續(xù)工作26個(gè)小時(shí)以上，可見要想利用計(jì)算機(jī)完全虛擬大腦活動(dòng)，計(jì)算機(jī)的算力必須要足夠才行。

無(wú)獨(dú)有偶，最近德國(guó)、日本、挪威和瑞典的聯(lián)合研究小組就通過(guò)創(chuàng)造一種新的算法，百分百模擬了整個(gè)大腦的100億個(gè)神經(jīng)元的互連。尷尬的是，目前即便是使用超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法滿足該算法對(duì)模擬大腦的需求。據(jù)了解，即便是該算法的早期版本，研究人員們?cè)诔?jí)計(jì)算機(jī)上也只實(shí)現(xiàn)了1%的神經(jīng)互連。由此，很難想象要用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的真正模擬還需要多遠(yuǎn)的路遙走。

而有一群人則是在尋找另外一種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬大腦，這就是利用全息成像的方式來(lái)還原大腦場(chǎng)景。

所謂全息成像還原大腦場(chǎng)景，即是利用閃光來(lái)控制神經(jīng)元，從而對(duì)大腦活動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)制粘貼。利用全息投影來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元的控制，我們將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)感覺的復(fù)制。簡(jiǎn)單來(lái)講，神經(jīng)元成為了一種可以自由操縱的東西，比方說(shuō)你總是怕疼，那就刪掉！你不喜歡癢，刪掉！甚至你如果想擁有男朋友的記憶，一樣可以偷偷地將其植入到自己的腦袋里，這樣你們家的日常聊天一定就會(huì)變成實(shí)話實(shí)說(shuō)。

而更遠(yuǎn)的未來(lái)是，其將可以植入更多類型的感覺或者強(qiáng)化某種感覺。如果是盲人，其可以植入“視覺”的感覺，以后盲人出門走路有沒有障礙物全靠意念；如果你想陪男朋友看世界杯但是自己又對(duì)足球沒興趣，那完全可以通過(guò)植入來(lái)強(qiáng)化，這樣甚至還能夠維系愛情和諧……

當(dāng)然，這項(xiàng)被稱為“全息大腦調(diào)制器”的技術(shù)好像還聽起來(lái)有點(diǎn)科幻，但是科學(xué)家們確已在老鼠的身上實(shí)現(xiàn)了利用閃光來(lái)激活神經(jīng)元。只是在具體的動(dòng)作與實(shí)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方面還需要進(jìn)一步的研究和完善，但不可否認(rèn)的是，這項(xiàng)技術(shù)將很可能改變整個(gè)人類。

而無(wú)論通過(guò)何種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的模擬，其最終的目的都是一致的：讓人類在避免對(duì)自己造成損傷的情況下弄清楚自己。也許對(duì)著腦袋開一刀是最簡(jiǎn)單便捷的方式，但因?yàn)樵S多原因，人類選擇了通過(guò)繞路的方式來(lái)逼近終點(diǎn)。也許最遠(yuǎn)的路才是正確的路，在這個(gè)途中，我們可能將一點(diǎn)一點(diǎn)地解決記憶、遺忘、存儲(chǔ)、精神疾病等問題，甚至在最后還可能實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的手動(dòng)武裝，比如裝個(gè)腦機(jī)接口什么的。

大腦本身就很科幻，而用虛擬的方式來(lái)研究一項(xiàng)科幻的內(nèi)容，想象都覺得這是一件逼格很高的事情。

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