吳 勤

顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之腦科學(xué)

吳 勤

大腦是人體中最復(fù)雜的部分，也是宇宙中已知的最復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。21世紀(jì)，被稱為“生命科學(xué)、腦科學(xué)的百年”或“腦研究世紀(jì)”，伴隨著腦科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的興起與發(fā)展，以人類為中心的認(rèn)知與智能活動研究，已進(jìn)入發(fā)展新階段。腦科學(xué)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用能迅速提升武器裝備智能化和操控意識化程度，對武器裝備的發(fā)展、使用和國防軍事能力建設(shè)將產(chǎn)生難以預(yù)見的顛覆性影響。

多國啟動腦科學(xué)重大研究計劃

多年來，人類對腦奧秘的探究從未停止，已有數(shù)十位從事腦科學(xué)研究的科學(xué)家獲得諾貝爾獎，腦科學(xué)在發(fā)達(dá)國家已成為科學(xué)研究“皇冠上的明珠”。早在20世紀(jì)90年代，美國就率先提出“腦的十年計劃”，歐盟成立了“歐洲腦的十年”委員會，國際腦科學(xué)組織也采取多種舉措推動腦科學(xué)研究的發(fā)展。

2013年4月，美國宣布啟動“腦計劃”；2014年6月，美國國立衛(wèi)生研究院發(fā)布“腦計劃”路線圖，詳細(xì)闡述了腦科學(xué)計劃的研究目標(biāo)、重點領(lǐng)域、實施方案、具體成果、時間與經(jīng)費估算等，提出將重點資助9個大腦研究領(lǐng)域：統(tǒng)計大腦細(xì)胞類型，建立大腦結(jié)構(gòu)圖，開發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記錄技術(shù)，開發(fā)操作神經(jīng)回路的工具，了解神經(jīng)細(xì)胞與個體行為之間的聯(lián)系，整合神經(jīng)科學(xué)實驗與理論、模型、統(tǒng)計學(xué)等，描述人類大腦成像技術(shù)的機(jī)制，為科學(xué)研究建立收集人類數(shù)據(jù)的機(jī)制，知識傳播與培訓(xùn)。2014年8月，美國國家科學(xué)基金會宣布，將資助36項腦科學(xué)相關(guān)項目，涉及實時全腦成像、新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論以及下一代光遺傳學(xué)技術(shù)等。美國國防高級研究計劃局（DARPA）近年來啟動了數(shù)十項旨在提高對大腦動態(tài)和機(jī)制的了解、推進(jìn)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的項目，包括可靠神經(jīng)接口技術(shù)項目、革命性假肢、恢復(fù)編碼存儲器集成神經(jīng)裝置、重組和加速傷勢恢復(fù)項目、將模擬大腦用于復(fù)雜信號處理和數(shù)據(jù)分析項目等。

2013年，歐盟委員會宣布將“人腦工程”列入“未來新興技術(shù)旗艦計劃”，力圖集合多方力量，為基于信息通信技術(shù)的新型腦研究模式奠定基礎(chǔ)，加速腦科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化。該計劃被認(rèn)為是目前世界最先進(jìn)的腦科學(xué)大型研究計劃，由瑞士洛桑理工學(xué)院統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，歐盟130家有關(guān)科研機(jī)構(gòu)組成，預(yù)算12億歐元，預(yù)期研究期限10年，旨在深入研究和理解人類大腦的運作機(jī)理，在大量科研數(shù)據(jù)和知識積累的基礎(chǔ)上，開發(fā)出新的前沿醫(yī)學(xué)和信息技術(shù)。該計劃首先利用30個月的時間，建設(shè)涉及神經(jīng)信息學(xué)、大腦模擬、高性能計算、醫(yī)學(xué)信息學(xué)、神經(jīng)形態(tài)計算和神經(jīng)機(jī)器人等6座大型試驗與科研基礎(chǔ)設(shè)施。這些設(shè)施將對全球科技人員開放，邀請世界頂尖科學(xué)家參與研究。

此外，日本、德國、英國、瑞士等國也都先后推出本國的腦科學(xué)研究計劃。

奧巴馬宣布啟動美國“腦計劃”

腦科學(xué)研究在全球掀起新熱潮

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著相關(guān)理論的完善和新實驗工具的涌現(xiàn)，大腦最深層的一些奧秘開始浮出水面。特別是近年來，歐美爆發(fā)“腦”競賽，全球圍繞大腦的研究掀起新一輪熱潮，與大腦有關(guān)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，為腦科學(xué)的大規(guī)模推進(jìn)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在研究與探索腦結(jié)構(gòu)方面，2012年，哈佛大學(xué)的科學(xué)家研究出了一種新的核磁共振掃描技術(shù)，用于探索人類大腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)；DARPA與美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校合作，研發(fā)出探究人腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能之間聯(lián)系的腦研究技術(shù)；2014年，在DARPA可靠神經(jīng)接口技術(shù)項目的支持下，威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的研究人員開發(fā)了新的腦結(jié)構(gòu)研究技術(shù)，這項技術(shù)對大腦中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動的可視化和量化研究具有重大貢獻(xiàn)。

用于模擬“腦控”飛船的實驗裝置

在腦信息獲取技術(shù)方面，腦電信號破譯研究、神經(jīng)活動信息還原視覺圖像研究、神經(jīng)活動信息支持行為與神經(jīng)元關(guān)系研究、神經(jīng)活動信息再現(xiàn)人類夢境研究等均取得了新進(jìn)展。例如，澳大利亞Emotiv公司開發(fā)出了一種能夠翻譯人類8種生理表現(xiàn)和7種表情的腦電信號裝置；美國、德國和英國的研究人員實現(xiàn)了利用磁共振成像技術(shù)將大腦活動信息轉(zhuǎn)換成想象物體圖形；DARPA近期正在開發(fā)新型大腦植入物，實現(xiàn)對大腦信號的實時跟蹤與響應(yīng)；2014年，DARPA啟動“神經(jīng)功能、活動、結(jié)構(gòu)與技術(shù)”項目，加速和簡化對大腦的3D分析，使整個大腦成像只需220天。

在腦機(jī)接口技術(shù)方面，多國開展了一系列技術(shù)驗證并取得突破，實現(xiàn)了大腦控制外界設(shè)備以及大腦控制另一生物體的異體控制。2008年，位于美國北卡羅來納州的科學(xué)家從植入獼猴腦部的電極獲取神經(jīng)信號，通過互聯(lián)網(wǎng)將這些信號連同視頻一起發(fā)給日本的實驗室，最終美國獼猴成功地“用意念控制”日本實驗室里的機(jī)器人做出了相同的動作；美國布朗大學(xué)2013年研制出首個火柴盒大小的腦機(jī)接口無線連接裝置，可將腦部數(shù)據(jù)傳輸至1米內(nèi)的其他設(shè)備；2013年3月，英國研究人員開發(fā)出第一種用于控制飛船模擬器的腦機(jī)接口裝置，美國科研人員又創(chuàng)建了計算機(jī)模擬程序，將腦機(jī)接口裝置戴在頭上后，通過人腦意念便可控制飛船模擬飛行；2015年6月，俄羅斯“未來研究基金會”負(fù)責(zé)人表示，以思維控制機(jī)械的腦機(jī)接口在俄研發(fā)成功，該腦機(jī)接口使用在醫(yī)學(xué)上廣泛普及的腦電描記法來捕捉腦電活動。

在“腦對腦”控制方面，2013 年2月，美國杜克大學(xué)的研究人員將分別位于美國和巴西的兩只大鼠的大腦，通過植入腦內(nèi)的芯片和計算機(jī)建立彼此之間的腦電波傳輸回路，實現(xiàn)了成功率為65%的腦對腦異體控制實驗；2013年8月，美國華盛頓大學(xué)公布了人類首次非侵入式腦對腦接口實驗，不需要在大腦內(nèi)插入電極，一人成功遙控了另一人的手部運動；2014年2月，美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院等機(jī)構(gòu)利用一只作為發(fā)出指令的“主體”猴子和一只作為接收指令的猴子實現(xiàn)了異體操控，任務(wù)完成率高達(dá)98%。

此外，近期腦研究與應(yīng)用領(lǐng)域還取得了許多重要進(jìn)展。例如，美國塔夫茨大學(xué)成功創(chuàng)建出三維腦狀組織模型，功能和結(jié)構(gòu)特征類似于大鼠腦組織，可用于研究腦功能，開發(fā)治療腦功能障礙新療法；2013年，德國比勒費爾德大學(xué)物理系的研究人員制造出有學(xué)習(xí)能力的納米憶阻器元件，每個大小只有人類頭發(fā)直徑的1/600，該憶阻器將作為設(shè)計人工大腦的關(guān)鍵部件；2014年9月，西班牙、法國、美國科學(xué)家聯(lián)合開展實驗，利用腦電波和儀器設(shè)備實現(xiàn)“人際交流”，成功將兩個單詞從一位印度志愿者腦中傳送到8000千米外的法國實驗人員腦中，這是人類首次“幾乎直接”地通過大腦收發(fā)信息；2015年7月，澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)和美國加利福利亞大學(xué)的研究人員通過使用納米尺度的憶阻器矩陣，制造出了世界上第一個能模仿人腦的電子記憶細(xì)胞；當(dāng)前，DARPA啟動了一個新項目，旨在研究“神經(jīng)重播”在形成記憶和回憶過程中的作用，從而幫助人腦更好地記住具體的偶發(fā)事件，更快地學(xué)會技能。

IBM開發(fā)出的神經(jīng)元計算機(jī)原型，它搭載了16顆“真北”芯片

腦科學(xué)軍事應(yīng)用潛力巨大

腦科學(xué)研究具有巨大的潛在軍事價值，可直接應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)場的多個領(lǐng)域，包括催生新型腦控武器和智能化裝備，提高作戰(zhàn)人員知識與作業(yè)能力，優(yōu)化軍事訓(xùn)練與決策，改善軍人神經(jīng)與精神損傷的救治，推動心理戰(zhàn)的升級等。腦科學(xué)的軍事應(yīng)用主要體現(xiàn)在“仿腦”“腦控”和“控腦”三個方面。

“仿腦”，即借鑒人腦構(gòu)造方式和運行機(jī)理，開發(fā)出全新的信息處理系統(tǒng)和更加復(fù)雜、智能化的武器裝備，甚至研發(fā)出與人類非常接近的智能機(jī)器人。近期“仿腦”的熱點領(lǐng)域主要包括開發(fā)模仿人腦的神經(jīng)形態(tài)芯片、具備人腦處理功能的仿腦處理器、開發(fā)認(rèn)知計算技術(shù)等。這些“仿腦”技術(shù)的問世與應(yīng)用將大幅提高無人系統(tǒng)的智能化水平，還可能給包括云服務(wù)、機(jī)器人、超級計算機(jī)在內(nèi)的多個領(lǐng)域帶來重大變革。

神經(jīng)形態(tài)芯片近期成為最令人矚目的“仿腦”技術(shù)應(yīng)用，大名鼎鼎的《科學(xué)》雜志和美國麻省理工學(xué)院《技術(shù)評論》雜志均將神經(jīng)形態(tài)芯片評為2014年十大科技突破之一。2013年，瑞士和美國科學(xué)家聯(lián)合研制出了一種腦神經(jīng)形態(tài)芯片，能夠?qū)崟r模擬大腦處理信息的過程；美國陸軍研究室通過模擬人腦思考過程開發(fā)出一種量子神經(jīng)元計算機(jī)芯片；美國高通公司近期也通過模擬神經(jīng)結(jié)構(gòu)和大腦處理信息方式開發(fā)出了大腦芯片；2014 年8月，在美國DARPA項目資助下，IBM公司宣布成功研制第二代類腦計算芯片“真北”，該芯片架構(gòu)類似人腦，集運算、通信、存儲功能于一體，與第一代芯片相比，“真北”神經(jīng)元由256個增加到100萬個，突觸數(shù)量由26.2萬個增加到2.56億個，包含54億個晶體管，每秒可執(zhí)行460億次突觸運算，總功率僅為70毫瓦；2015年，美國加州大學(xué)和紐約州立大學(xué)石溪分校的一個聯(lián)合研究小組，首次僅用憶阻器就創(chuàng)建出一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，從而向創(chuàng)建更大規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與人造大腦邁出了重要一步；英國嵌入式處理器廠商ARM與曼徹斯特大學(xué)、海德堡大學(xué)合作研究的神經(jīng)形態(tài)芯片已經(jīng)被納入歐洲人類大腦計劃，并得到支持。歐洲方案與美國方案相比，單位面積功耗較高，但神經(jīng)元模擬更接近生物神經(jīng)元，因此在模擬大腦方面也被報以更大希望。

在“仿腦”處理器方面，美國DARPA多年來致力于發(fā)展能夠模擬人腦認(rèn)知和推理能力的類腦處理器，已經(jīng)開展了“傳感與分析自適應(yīng)局部學(xué)習(xí)”等多個項目；2012年，谷歌公司實驗室的研究小組通過模擬人腦中相互連接、相互溝通、相互影響的“神經(jīng)元”，由1000臺計算機(jī)、1.6萬個處理器、10億個內(nèi)部節(jié)點相連接，形成一個“谷歌虛擬大腦”；2015年，IBM公司利用48塊“真北”試驗芯片構(gòu)建了一個“電子大腦”，每一塊芯片都可以模擬大腦的一個基本構(gòu)件，該試驗系統(tǒng)可以模擬4800萬個神經(jīng)細(xì)胞，基本可以與小型嚙齒動物大腦的神經(jīng)細(xì)胞數(shù)齊平。

認(rèn)知計算是一種模擬人的認(rèn)知、智能和解決問題方式的計算技術(shù)。國外主要軍事強(qiáng)國以未來軍事應(yīng)用為牽引，積極推進(jìn)認(rèn)知技術(shù)的發(fā)展。例如，美國通過實施自學(xué)電子攻擊技術(shù)、認(rèn)知無線電臺技術(shù)、基于認(rèn)知的協(xié)作決策感知認(rèn)知模型、基于腦電波識別和認(rèn)知算法的戰(zhàn)場威脅探測技術(shù)等項目，大力推進(jìn)認(rèn)知計算技術(shù)在武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用。2014年，美國空軍研究實驗室授予通用電氣公司一份高性能嵌入式計算系統(tǒng)合同，以模擬人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)的信息路徑，該系統(tǒng)可推動開發(fā)與部署自適應(yīng)學(xué)習(xí)、大規(guī)模動態(tài)數(shù)據(jù)分析和推理的先進(jìn)神經(jīng)形態(tài)體系結(jié)構(gòu)和算法。

“腦控”，即通過大腦實現(xiàn)對外界物體或設(shè)備的直接控制，減少或替代人類肢體操作，從而提高作戰(zhàn)人員操控武器裝備的靈活性和敏捷性。近年來，“腦控”應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展：日德研發(fā)出了“腦控”車輛；德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)飛行系統(tǒng)動力學(xué)研究所首次成功展示了“腦控”飛行；美國明尼蘇達(dá)大學(xué)成功研制出能夠用意念控制的四軸飛行器，其躲避障礙物成功率高達(dá)90%；英國科學(xué)家開發(fā)了專門的腦機(jī)接口裝置來控制飛機(jī)和飛船模擬器；美國DARPA開展了名為“阿凡達(dá)”的尖端軍事科研項目，旨在探索擴(kuò)展人類機(jī)能，獲取神經(jīng)代碼進(jìn)行整合，以控制進(jìn)攻性武器和系統(tǒng)，DARPA還在2013財年投入700萬美元研發(fā)一種自主式雙腳機(jī)器人，能夠讓士兵在戰(zhàn)場上遠(yuǎn)程控制，以替代士兵執(zhí)行部分作戰(zhàn)任務(wù)，如放置監(jiān)視設(shè)備、搜索并攻擊建筑物內(nèi)的威脅目標(biāo)、救助傷員、設(shè)置障礙物等。

“控腦”，即利用外界干預(yù)技術(shù)手段，實現(xiàn)對人的神經(jīng)活動、思維能力等進(jìn)行干擾甚至控制，導(dǎo)致出現(xiàn)幻覺、精神混亂甚至做出違背己方利益的行動，其關(guān)鍵是開發(fā)能夠監(jiān)測和干預(yù)大腦思維活動的信息系統(tǒng)?！翱啬X”目前產(chǎn)品應(yīng)用還較少，美國DARPA聯(lián)合商業(yè)機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)的概念研究，主要包括：通過計算機(jī)模擬腦電波控制人體的心理反應(yīng)和思維，通過特殊頻率的無線電波與人體腦電波作用產(chǎn)生催眠效果，神經(jīng)系統(tǒng)腦電波聲音操縱項目等。

美國明尼蘇達(dá)大學(xué)腦機(jī)接口裝置控制飛行器的實驗場景

結(jié) 語

腦科學(xué)的發(fā)展對于人類了解自身神經(jīng)精神領(lǐng)域有著重要的價值與意義，同時也具有強(qiáng)大的軍事應(yīng)用前景，將推動軍事領(lǐng)域的重大變革。當(dāng)前，腦科學(xué)研發(fā)已經(jīng)成為時代潮流不可阻擋，其大規(guī)模進(jìn)步必將為人類帶來一個日新月異的新世界，我們應(yīng)該及時未雨綢繆，趨利避害。

責(zé)任編輯：劉靖鑫