AI浪潮下，更要呼唤思辨精神丨展卷

学术 2024-11-03 08:03 上海

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脑科学一直是备受关注的领域，在科研进展日新月异的同时，也对相关的科普提出了新的挑战。顾凡及老师希望能写出兼具前沿性和趣味性的科普书，《脑科学故事》正是在这一目的下诞生的。如今，这本书出版了第三版，补充了许多对新问题的解读。知识在不断更新变化，但本书呈现的思辨精神始终如一。这其中的变与不变，值得慢慢品味。

《脑科学的故事》（第三版；上海科学技术出版社，2024年8月版）

撰文 | 俞洪波（复旦大学生命科学学院教授）

作为顾凡及老师《脑科学的故事》的忠实读者，我在日常授课中大量引用书中的内容，师生们受益良多。自2011年第一版出版以来，脑科学领域经历了巨大的变革，新思想和新技术层出不穷。近年来的课堂讨论中，学生们也提出了越来越多的新问题。恰逢《脑科学的故事》第三版的出版，顾老师深入浅出地解读了这些前沿问题，这一修订可谓恰逢其时。

2006年，Hinton提出深度学习理论框架；2012年，谷歌的DeepMind团队成功将其应用于图像识别，人工智能（AI）在理论和应用上都取得了跨时代的进步。在我写作之际，2024年诺贝尔奖刚刚揭晓，Hinton获得物理学奖，而将深度学习应用于蛋白质结构解析的Hassabis则获得化学奖。社会各界都在积极拥抱人工智能时代的到来，例如复旦大学在2024年推出了100门AI+课程，涵盖了AI的基础理论及其在各专业中的应用。作为一位终身从事计算神经科学的学者，顾老师在新版中用通俗易懂的科普语言对AI进行了专业且公允的介绍。

在本书的“智能机器的故事”一章中，顾老师引用了“智能”的定义，区分了“技能”和“获得技能的能力”，特别指出后者才是真正的智能，这有助于纠正大众媒体中泛AI化的倾向。同时，这也缓解了人类对AI取代人类的焦虑，引导我们思考如何发掘人类真正核心的智能，将AI视为人类技能库中的最新成员，正如历史上对待文字、计算器和电脑的态度一样。另一方面，顾老师特别提到，“技能是完成特定任务的能力，虽然可以很复杂，但缺乏适应性”。这为固步自封的人和公司敲响了警钟，因为“技能”正是目前AI的强项。因此，这是一个最好的时代，也一个最坏的时代：前者适用于锐意进取、灵活应变的群体，他们将拥有强大的AI工具；后者适用于抱残守缺、一招鲜吃遍天的群体，他们将逐步被AI取代。

对于人工智能的发展，新版书中介绍了“类脑”和“脑启发”两种方向。前者认为“人脑是世界上最聪明的系统”，后者则认为“人脑是进化的产物，进化是个修补匠而非工程师”。因此，前者注重对人脑的仿真，后者则更关注人脑运行中普适规律的应用。目前主流的AI算法基本属于后者，它们在特定任务上可超越人类。然而，这常常导致大众对AI算法的迷信，甚至不再关注人脑的运行机制。对此，顾老师特别指出“深度学习作为脑启发的一个典型实例，启发来自视觉系统中不同层次神经细胞感受野的多重投射”，但“工程师通过技术手段实现了这一点，取得了举世瞩目的成就”。随后的追随者在这一原理框架上进行参数改进并不断突破，却往往忽视甚至轻视其本源。殊不知，当算法遇到下一个瓶颈时，答案或许就在生物脑中。

事实上，随着AI算法的不断推进，一个瓶颈逐渐浮现，那就是AI算法能耗的指数级增长。包括OpenAI在内的领先科技公司都意识到了这个问题。解决方案之一是在现有基础上继续投入大量电能，这使得新能源成为关注热点；而另一个选择则是降低实现算法所需的芯片能耗。后一种选择正是本书中“神经形态工程的故事”章节的重点。其依据在于人脑在处理海量数据时的能耗“几乎与冰箱里灯泡相当，大约只有20瓦”。因此，模拟神经元运算模式以大幅降低AI算法能耗已成为时代需求。这其中包括如何“超越冯·诺依曼架构”，因为“人脑并没有分离的中央处理器和存储器，处理和存储都是在本地完成”，这种方式显著减少了两者之间通信带来的能耗。书中介绍了多种并行开发的神经形态芯片，它们各具特色，但“这些系统的共同点是采用脉冲发放神经元作为基本元件，并通过脉冲进行通信”。

从以上分享的内容可以看出，顾老师对人工智能的介绍并不是简单的事实呈现，而是以一种贯穿始终的思辨精神进行剖析。因此，本书并不是一本紧跟潮流的再版书。值得关注的是，这种思辨精神贯穿整本书，也是从第一版到第三版始终不变的核心：时代在变化，内容在推陈出新，但思辨精神永远不变。

这种变与不变的特性同样体现在其他章节中。在近年来备受关注的脑机接口技术领域，顾老师进行了大量增订。十多年前的第一版中，他提到脑机接口的主要问题是“如何长期安全地将电极植入人脑，并可靠地检测信号”。近年来，这些主要问题得到了显著改善，顾老师在第三版中进行了详细介绍。在“神经联接公司的故事”一章中，他系统介绍了“柔性多丝电极阵列”如何提升安全性和长期性，“联结芯片”如何实现无线信号传输与快速信号解码，以及“手术机器人”如何在无需专家团队的情况下，自动化安全地植入大量电极。但需要指出的是，尽管技术已尽可能减少创伤，这一技术仍属于有创的脑机接口。在“脑血管‘支架’”一章中，顾老师介绍了一种近乎无创的技术，“通过血管将电极阵列送入皮层运动区”，从而“就近监测运动皮层神经元的活动”。2022年，一家澳大利亚初创公司成功将该技术应用于一位渐冻人患者，使其能够发电子邮件、网购和召唤医疗服务。这些激动人心的技术遵循着不变的神经科学原则，因此第一版与第三版之间保持高度一致，但十余年的科技进步则为人类提供了更强大的实现手段，克服了之前的主要技术障碍。

类似的增订在第三版中比比皆是，读此书，品味变与不变，令人感慨万千。《脑科学的故事》从第一版到第三版出版已有13年，顾凡及老师也已年过八旬。然而，他始终笔耕不辍，与时俱进，知识在不断更新变化，而思辨精神却始终如一。这恰恰反映了本书中强调的脑与智能的特点，在人工智能风起云涌的时代背景下，更显得弥足珍贵。

作者自序

2004年退休以后，一直想做一点自己感兴趣、而在上班期间没有时间做的事；也希望自己在退休之后还能对社会有点贡献。比较切实可行的是为广大读者，特别是青少年读者写一些有关脑科学的科普读物。

回忆我之所以走上科学之路，中学时代读科普书是最大动因，尤其是别莱利曼的《趣味物理学》《趣味力学》《趣味天文学》《趣味代数学》《趣味几何学》等既十分有趣，又有硬核科学内容的书使我如痴似醉。所以当我想写科普书时，首先想到的就是希望自己也能写出一本类似于别莱利曼作品那样的兼具科学性和趣味性，还希望能与时俱进，兼具前沿性的趣味脑科学科普书。这对我是一个全新的挑战。在我的科学生涯中，以往写东西时多只注意科学性，有时适当注意一下可读性，几乎完全没有考虑过趣味性。虽有别莱利曼的楷模在前，但是如何做到这一点，是否能为一般公众，特别是青年学生写出满足上述所有要求的书，心中并无多少把握。但是，正是这种挑战给我带来欢乐。由于我以前在上海科学技术出版社出版过一本译作，所以当我把这些想法和出版社的同仁谈了之后，承蒙他们的支持，觉得可以一试。这样我们就把这本书的读者群定位在具有中学文化程度以上对脑感兴趣的一般公众，目的是要引起公众，特别是青年学生对脑科学的兴趣，以讲故事的形式向他们介绍脑科学的基本知识。

在目标确定以后，我就把这件事当作科研一样来做，首先是搜集和筛选尽可能多的材料，当然标准是科学性、趣味性和前沿性。我大量翻阅了复旦大学本部图书馆里有关脑和心智的藏书，对其中有些书读了又读，并把精彩的地方随时记录下来。我又在网上搜索了六七百位国外科学家的网页和有关脑科学的科普网页，从中找到了不少好材料。我也多次和国内外同行讲到我的这一新目标，得到了他们的鼓励和支持，其中一些朋友还给我介绍了好些有趣的材料。在这些材料的基础上，加上我40多年的工作积累，经过4年多的辛苦，终于搭起了一个架子，写出了一个草稿。对这个草稿我前后修改了8遍，尽管还不很满意，觉得还需要补充和润色，但是也不能久拖不决，无限期地修改下去，总得有个阶段性的结果。因此终于下决心，在2011年出版了本书的第一版。

令笔者感到欣慰的是，初版出版以后得到了读者的认可，并获得了2015年第十一届上海科普教育创新奖成果奖（图书类）二等奖和2016年上海科技进步奖三等奖。虽然如此，从初版出版到今天已经过去了十几年，脑科学又有了许多新的发展，特别是在脑科学和信息科学技术的交叉领域（本书的最后一章），这种发展更为迅速，需要更新和补充，甚至近乎重写。另外，因为初版是笔者科普写作的第二本书，无论从对脑科学本身的理解还是写作技巧方面都还很不成熟，因此，在目标不变的大前提下，是出版一本修订版的时候了。笔者的这一愿望得到了上海科学技术出版社包惠芳主任的大力支持。好在这十几年来，笔者一直没有停止过学习，以及对材料的搜集和阅读，还不至于“愚夫难为无米之炊”；不过反过来说，材料太多，而全书的篇幅又不能增加太大，如何选择倒成了不大不小的难题。

笔者自问在修订本书时已经尽力而为了，除了重写的部分之外，对全书也前后修改了5遍，不过由于水平所限，一定还有许多缺点，甚至可能有错误，希望读者不吝指正。

顾凡及

2024年元旦序于复旦大学

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