[ 导读 ]本讲座选自中国科学院神经科学研究所研究员、中科院院士郭爱克老师于近日在“数据与认知——数据后面的科学”高端学术研讨会所做的题为《人类大脑在整体上怎样工作的？》的演讲。
郭爱克：当下人工智能、认知科学、类脑智能、进化智能、混合智能、群体智能等都非常热，很多单位都在成立认知科学、脑科学研究中心。
现代科学的发展进入一个新时代，人们一直在思考脑的本质是什么？智能的本质是什么？这是我们科学家要回答的问题，今天,我报告的主题聚焦在智力的演化和选择上。
一.《演化+选择》创造了生命世界的多样性
距今约五亿年，是现代生物的开始阶段，是地球上现代生命的起源。
生命世界中的一切的一切都植根于演化和选择。人类大脑不是被设计出来的，它是智力演化的伟大奇迹，是在浩瀚的历史长河中，演化和选择留下的宏篇巨制；探索脑的工作原理，是揭示脑疾病发病机制和发展类脑智能的必由之路。
从鱼到人的进化，脑容量爬升的过程。人脑容量1400立方厘米，而黑猩猩脑容量400立方厘米，基因组的差别不到3%。
我在网上查阅了一些信息，特别是西藏极端环境下高原低氧代谢过程的演化和选择，这个过程可以追溯到3000亿年前，所以演化还在持续进行时。
有时候我们会觉得小猫小狗和人类差距甚远，但在达尔文眼中是惊人的相似。
《大脑如何思维》讲到达尔文过程的核心，所以演化和选择是我们理解脑的核心问题。
DNA双螺旋结构的发现者之一克里克（Crick）曾指出，生命体系中没有像物理学和化学那样“铁的定律”（rigid laws），演化产生机制，而且多半是亚级机制。在生命系统中，几乎很少有对一切生物问题普适的“规则”。
二．科学史上探索“脑-智”关系的若干里程碑事件
上图是生命科学领域的泰山北斗，包括达尔文等等。
薛定谔，探讨了生命的本质，他试图用热力学、量子力学等理论来解释生命现象，引入了负熵、遗传密码、量子跃迁式的突变等概念，这些概念至今仍有着广泛的影响。
让·皮亚杰，把“适应（adaptation）”看作智力的本质，人的智力发展过程被视为其适应水平不断提高的过程，“智力就是你不知道怎么办时动用的东西”。
拉蒙·卡哈尔，发现了神经元结构，“神经系统是由独立的神经细胞组成的”。
谢灵顿，提出了突触的概念，认为神经元的末稍分支与另一个神经元胞体或树突仅仅是接触，在原生质上并不连续。突触是脑的基本操作单元，它对于脑的重要性，就如同原子对物质，DNA对生命那样重要。
三．大数据时代的脑科学
在研究脑的过程中，最早有电生理技术，一直演化到今天的脑功能图谱、大数据脑科学。
当下国际上以及中国科学界也在组织脑计划，其中包括重大的国际合作计划，在介观层面绘制脑功能联结图谱，这是智能时代、大数据时代的脑科学工作的前沿方向。
脑功能联结图谱要从宏观脑区尺度、介观神经元网络尺度、微观突触尺度，以及更多的尺度上来绘制。
这是中国科技大学毕国强团队的一个研究成果，该技术可以构筑小鼠脑功能联结图谱，瞬间可以给出脑的联结。
四．大脑的可塑性和自组织也是达尔文式的《演化和选择》过程
大脑既然是演化和选择，我想举几个例子来说明大脑可塑性和自组织也是达尔文过程。
这是人类大脑发育的过程。神经元的连接，从稀疏到茂密，最后到成熟，这是人生进行修剪的过程，也是演化和选择的可塑性过程。
这是神经所于翔课题组证明大脑得得突触在出生以后，野蛮性生长，突触数量达到一个高峰，高峰过后再经过修剪,修剪结果会涉及很多问题：正常状态；精神分裂症；阿尔茨海默症；孤独症谱系障碍。或者修剪过程也可能形成天才。
这是神经所龚能实验室研究的自我认知过程，人与黑猩猩可以从镜中识别自我，而猴子不能，但是可以通过学习和训练，也能让它有认知自我的过程，这也是认知、修饰和成长的过程。
五．脑科学和类脑智能联姻
脑科学会带给计算科学什么启发？这是2017年美国三位科学家合作,通过果蝇的嗅觉编码改变哈希算法。
模仿果蝇嗅觉的算法要比哈希算法优越，这说明脑科学和类脑智能之间可以紧密结合，但需要双方的配合。
我们的2001年的抉择研究发现果蝇的基于价值的抉择是S形曲线（左图），2006年猴子的抉择也是S形曲线（右图），这说明跨物种具有相似性。
大脑内有“祖母”细胞吗？前不久三位科学家证明大脑当中有概念细胞（由众多细胞构成的一种概念），例如发现概念细胞可以编码好莱坞的影星。
最近神经所王伟课题组在猴子视觉研究中，证明了视觉信息在传输过程中有专门负责高空间分辨率的一群细胞，这涉及到对图像编码的过程，所以人类大脑研究进展可能会启发未来人工智能图像识别的发展。
2017年神经所常乐研究员在Cell杂志上发表论文，研究提出人脸识别的新理论，颞下皮层单个神经元对一组特征编码。
图左奔腾的马是患有自闭症的5岁女孩所画，图右是同龄小朋友画的马，中间的马是达·芬奇所画。
我们怎样理解脑认知的形成过程，这给各领域的科学家提出了挑战。
我们要敢为天下先，设计整合多种天才特征的更完备的类脑智能系统，这也是给每位科学家提出的挑战。
六．构筑生命和智力本质的宏伟大厦
眼下，脑科学充斥着数据和理论，但缺乏统一观点的能力。在大数据时代，只有当人们掌握了对复杂系统进行有效描述的方法，掌握了从大数据提取信息的策略，才可能将还原主义获得的碎片化数据有效的集成，并通过呈展论去构筑生命和智力本质的宏伟大厦。
上图是我引证的几位科学家的文章，我们应该用这些思想来指导我们理解脑的工作。人们在细胞、神经递质层面上的研究做得很细，但我们不知道它的来源是什么，这些结构整体上是怎么控制的，这是值得我们反思的问题。
科学家约翰·亨利，他在《涌现：从混沌到有序》谈到一群蚂蚁怎么涌现出它的理智等等。我觉得思考很重要，整体要大于局部之和，将不可能变成可能，因为它有涌现特点。
这是最近德国 M.海森堡教授发给我的一篇报告，主要探讨的是通过脑和行为演化产生思维的，类似于自然哲学的深刻概念。
人类大脑在整体上是怎样工作的呢？“道生一，一生二，二生三，三生万物”，这是我初步的认识，即多模块协同运作的结果。
上图是美国MIT新的人工智能研究计划，也是我们面临的挑战。
结论
物质是通过达尔文过程，即通过对脑和行为“演化+选择”过程而产生智力。从演化和选择的角度，构筑生命和智力本质的宏伟大厦，开创脑科学和类脑智能的美好未来，是我们在智能时代的使命担当。