研究大腦 必須得先虛擬個大腦
2018年06月19日07:07

  最近德國科學家作了一項研究,其通過構建一個重度抑鬱症計算模型,來揭示重度抑鬱症對老年人的記憶和遠期記憶的影響。如果這個計算模型是正確的話,則表明重度抑鬱症可能會對老年人的短暫記憶甚至是長遠的記憶產生毀滅性的影響。

  引起我們關注的不僅僅是其對抑鬱症影響老年人記憶的關注,更在於其研究方式:建立大腦計算模型,即虛擬大腦。研究人員通過捕捉病人的大腦特徵,成功測試了其模型存儲和和回憶新記憶的能力。並且發現,在抑鬱症發作的時候,大腦模型中形成了較少的神經元。

  通過構建“虛擬大腦”來實現對大腦的研究,可能是當下最普遍也最靠譜的方式了。理論上來講,如果能夠做到真正地還原大腦,就可以揭示出大腦的奧秘,進而解決諸多疑難雜症。實際上,限製虛擬大腦功用的,正是模型完善度的不足。

  或許,是時候瞭解一下到底何為“虛擬大腦”了。

  大腦之難,難於上青天

  大腦可以說擁有著整個人體當中最複雜的運行機製。若干年來,人類逐漸對身體的各個器官、組織的形狀、成分構成、具體功用有了明確的認知,卻唯獨在大腦面前仍然是一個小學生。在弄清楚了自己的生理運行機製之後,人類非常想弄清楚關於精神和意識方面的內容,並且毫不懷疑地將這些內容的儲藏地指向了大腦。

  然而要想對大腦做出更深層次的研究,人們毫無疑問需要跨過好幾個檻兒。

  首先,大腦實在是太脆弱了。從結構上來講,我們大腦是在堅固的頭骨的護佑之下運行活動的。之所以被頭骨包圍,就是因為大腦本身很軟,要不怎麼都說“豆腐腦”呢。但是要對大腦進行研究,就必須要觸碰到這些軟軟的本體,如果操作失誤,很可能會給病人帶來無法挽回的損失。並且大腦上佈滿了密密麻麻的神經元,隨便動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議很大的問題,即便是用拿病人來做研究,也存在面臨未知風險的可能。

  正是由於腦損傷的不可逆性,我們無法直接把手術刀伸進病人的大腦里左衝右突。在此之前,借助現代的醫療手段,比如讀取腦電波、做ct、腦部磁共振等,本質上都是對大腦狀態的複製和還原。但是其仍然存在一個問題:病人的大腦是處於變化之中的,利用這些檢查做出的判斷在嚴格意義上來講都是“過去”的情況。可能一天半天的時間對處理一些常規的大腦疾病問題不大,但要破解大腦的奧秘,可能需要的就是實時的跟蹤,而非總是落後一步。

  而正因為大腦里可能藏著決定“人是人”的密碼,在對其進行研究的時候還會經常面臨倫理問題。比如對大腦的干預活動很可能會影響一個人的性格的改變。如果能讓一個花花公子變成個謙謙君子倒還好,畢竟誰都喜歡;但是如果變成了地痞流氓怎麼辦?還能找醫生再要一個人出來嗎?

  所以我們看到科學家們更多地選擇對動物的大腦進行研究,以此試圖找到對人類大腦研究的啟示。這項工作誠然很有意義,但如果邁不到對人類大腦研究的那一步,其似乎永遠都與最終目標差了一個階段。

  所以,大腦自身的複雜脆弱性、現代通用研究技術的限製性、倫理的爭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。而虛擬大腦的提出,可能將會是對這些呼喚的最好的回應。

  離我們很近的實體大腦

  目前來講,虛擬大腦主要有四種表現形式:3D打印模型、計算機虛擬模型、全息成像還原大腦場景和實驗室培養的大腦。

  3D打印目前來講已經相當成熟,其在醫療方面的應用目前看來大有燎原之勢。

  在醫療領域推廣的過程中,3D打印被廣泛用於各種手術的術前模擬當中。這樣可令手術變得可重複,從而可以大大提高手術的成功率,降低風險。開顱手術對3D打印模型的應用自然是非常迫切的。以目前3D掃瞄的技術精度,打印出來的大腦模型能夠精確地展現患者的血管和神經結構。難道這就夠了嗎?當然不夠。只是呈現出大腦的形狀已經不能滿足科學家們的胃口了,最近他們正在測試不同的材料,以為3D打印的大腦添加觸覺。如果其能成功,可能就意味著這個虛擬大腦從此有可能成活了。

  而3D大腦存在的一個缺陷是,其可能由於算力的不足而導致對大腦的還原度不夠,比如一些細微的血管、神經等。那麼,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,德國尤利希研究中心的科學家們則利用了深度學習的方法來分析數千個超薄的大腦組織切片,然後在重新建立3D模型。

  可以說,3D打印大腦是“看得著”的一種虛擬大腦,它是專為解決醫療問題而生的。而與之對應的實體虛擬大腦,則更能引起我們的興趣。

  在討論這個之前,我們首先需要確定一下:我們所說的虛擬,是有別於一個人天然而生的大腦而言的。也就是說,除了從娘胎裡帶出來的是真實大腦之外,其他的任何無論是做出真實的可觸性大腦還是基於計算機系統的大腦,都是我們所說的虛擬大腦。

  然後,我們可以討論一下另一種實體大腦:實驗室培養大腦。

  人工已經能夠製造出大腦了?是的,這已經成為了現實。

  美國俄亥俄州立大學的科學家們在實驗室里培養出了第一個幾乎完全成型的人類大腦。這個大腦一釐米見方,其發育程度大約相當於5周的嬰兒。該大腦由體細胞被誘導才成為不成熟的幹細胞之後通過編程為腦細胞生長。而英國的劍橋大學也培養出了在5個月長到4毫米見方的人造大腦,其擁有超過200萬個神經元。而相似之處在於,這些人造大腦全都是沒有意識的。

  按照如今科技發展的速度,未來培養出完全適用於人類的大腦應該不是什麼難事。而一旦此項技術成熟,其將可以被用來研究大量的醫療難題,尤其是精神方面的疾病,比如自閉症、阿爾茨海默症、帕金森氏症、精神分裂症等等。這些人造大腦將會為真正的大腦實驗提供無限的可能。

  但是大腦又不同於身體的其他器官,一旦人造大腦產生了意識,那麼科學家們對它的研究也一定會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選擇。

  看起來很遠的“真・虛擬大腦”

  在計算機科學等領域,虛擬大腦則顯得更為科幻一點。

  比如在2013年,華盛頓大學醫學院、西班牙龐培法布拉大學和其他幾個歐洲大學共同完成了一個用於研究大腦解剖學構造如何幫助產生和維護休息狀態的大腦網絡的計算機模型。研究人員通過該模型來將大腦傷害和其他原因導致的大腦網絡損傷和記憶力、注意力等問題聯繫在一起進行研究。比如說,將中風等傷害加入到模型當中,來觀察部分細胞受到摧殘以後大腦功能的影響。

  研究結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分鍾的大腦模擬,就需要功率強大道德計算機連續工作26個小時以上,可見要想利用計算機完全虛擬大腦活動,計算機的算力必須要足夠才行。

  無獨有偶,最近德國、日本、挪威和瑞典的聯合研究小組就通過創造一種新的算法,百分百模擬了整個大腦的100億個神經元的互連。尷尬的是,目前即便是使用超級計算機也無法滿足該算法對模擬大腦的需求。據瞭解,即便是該算法的早期版本,研究人員們在超級計算機上也只實現了1%的神經互連。由此,很難想像要用計算機來實現對大腦的真正模擬還需要多遠的路遙走。

  而有一群人則是在尋找另外一種方式來實現虛擬大腦,這就是利用全息成像的方式來還原大腦場景。

  所謂全息成像還原大腦場景,即是利用閃光來控製神經元,從而對大腦活動實現複製黏貼。利用全息投影來實現對神經元的控製,我們將能夠實現對感覺的複製。簡單來講,神經元成為了一種可以自由操縱的東西,比方說你總是怕疼,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變成實話實說。

  而更遠的未來是,其將可以植入更多類型的感覺或者強化某種感覺。如果是盲人,其可以植入“視覺”的感覺,以後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盃但是自己又對足球沒興趣,那完全可以通過植入來強化,這樣甚至還能夠維繫愛情和諧……

  當然,這項被稱為“全息大腦調製器”的技術好像還聽起來有點科幻,但是科學家們確已在老鼠的身上實現了利用閃光來激活神經元。只是在具體的動作與實驗的關聯、實驗設備等方面還需要進一步的研究和完善,但不可否認的是,這項技術將很可能改變整個人類。

  而無論通過何種方式實現對大腦的模擬,其最終的目的都是一致的:讓人類在避免對自己造成損傷的情況下弄清楚自己。也許對著腦袋開一刀是最簡單便捷的方式,但因為許多原因,人類選擇了通過繞路的方式來逼近終點。也許最遠的路才是正確的路,在這個途中,我們可能將一點一點地解決記憶、遺忘、存儲、精神疾病等問題,甚至在最後還可能實現對大腦的手動武裝,比如裝個腦機接口什麼的。

  大腦本身就很科幻,而用虛擬的方式來研究一項科幻的內容,想像都覺得這是一件逼格很高的事情。

  本文來自虎嗅網

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