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本文介绍了清华大学人工智能研究院院长、中国科学院院士张钹在首届「脑科学开放日」活动上的主题分享。
类似牛顿三大定律般地位的「脑科学底层规律」，正等待被发现。
去年，清华大学人工智能研究院院长、中国科学院院士张钹在「纪念《中国科学》创刊 70 周年专刊」上发表署名文章，全面阐述了「第三代人工智能」的理念，其中提出：第三代人工智能的发展路径是融合第一代的知识驱动和第二代的数据驱动的人工智能， 同时利用知识、数据、算法和算力等 4 个要素， 建立新的可解释和鲁棒的 AI 理论与方法，发展安全、可信、可靠和可扩展的 AI 技术，这是发展 AI 的必经之路。
在向第三代人工智能迈进的过程中，脑启发下的众多研究被寄予厚望。基于脑科学的脑机交互、类脑计算等技术领域，正成为人工智能技术突破的下一个关键因素。
回顾 1956 年达特茅斯会议之后的 60 余年间，人工智能的发展大致经历了两个阶段：
第一代「符号主义 AI」，其理论基础来自于认知心理学，认为「符号」是人类认知的基本单元，而认知就是对「符号」的操作，通常又叫做「知识驱动的人工智能方法」。
第二代「连接主义 AI」，其理论基础来自于神经科学。他们认为建立在神经网络基础上的亚符号处理是人类智能行为的基础，通常又叫做「数据驱动的人工智能方法」。
过去十年来，我们的确见证了人工智能领域突飞猛进的发展，以人脸识别、智慧医疗、语音交互等为代表的技术落地真正走进大众生活。但事实上，这两代人工智能理论上都存在着严重的缺陷，不能成为人类智能行为的完备理论与模型。
在脑科学的推动下，人工智能将走向何方？
人工智能与脑科学，各走到了哪一步？
6 月 22 日，首届「脑科学开放日」在北京举行，活动由脑陆科技联合神经调控技术国家工程实验室共同举办。
在主题致辞中，担任脑陆科技首席技术专家的张钹院士提到，人工智能的基础理论之所以迟迟未能建立起来，根本原因在于人类对大脑和智能都还知之甚少，因此发展第三代人工智能的关键在于与脑科学研究的结合。
张钹院士指出，人工智能发展的未来是人机协同、人机共生，既不是简单的人类制造、控制、利用机器，更不可能是人工智能取代人类。因为人机各有所长，互为补充，可以共同合作，建立一个更加和谐与美好的社会。而要实现人机共生的构想，同样离不开对于人类大脑的深入了解。人类对脑的探索现状如何？在理解大脑奥秘的历程中，「保护大脑」（Protecting the brain）、「利用大脑」（Exploiting the Brain）和「学习大脑」（Learning from the brain）几个领域相辅相成，而脑机接口技术或许是当下最热门的方向之一。前段时间，斯坦福大学的研究者首次破解了「与手写笔迹相关」的大脑活动，瘫痪受试者借助一套皮质内脑机接口系统，每分钟可以打出 90 个字符，这套系统可以从运动皮层的神经活动中解码瘫痪患者想象中的手写动作，并利用递归神经网络（RNN）解码方法将这些手写动作实时转换为文本，准确率为 94% 至 99%。这项研究以及其他同类研究在帮助各类残疾患者方面具有很大潜力。尽管研究结果只是初步的，但依然是脑机接口领域的重大进步。在脑科学开放日的现场，六位专业学者和业界代表还就脑科学的最新进展和如何加速成果转化等问题进行了深入探讨。张钹院士认为，人工智能经历了 60 多年的发展，目前还只能算是「序幕」，根本没有进入核心问题。困扰人工智能发展最大的问题是，如何在对人类智能不清楚的情况下推动人工智能的进步，这其中存在着从 0 到 1 创新的挑战。现在，人工智能尚且无法模拟人类智能，只是用机器来模拟人类的智能行为。这要求研究者们必须更多了解大脑的机制。很久之前，有人说「21 世纪是生物的世纪」。这个说法曾经受到过质疑，但目前看来，脑科学领域的确酝酿着巨大的潜力。是否存在类似牛顿三大定律的脑科学底层规律正等待被发现？长期从事脑机技术研究的美国医学与生物工程院会士、清华大学生物医学工程系教授高上凯是这一领域的权威。她介绍说，从脑机接口概念词第一次在学术论文中出现，迄今已经有半个世纪，但其中有二三十年间是几乎没有什么进展的。原因在于它本身是一个非常高度交叉的学科，包括如何记录脑里面的信号，再将其提取出来并加以分析。脑机接口的真正发展就在近 20 年，伴随着技术层面的突飞猛进，很多难题迎刃而解，脑机接口才逐渐走进现实。此前十年间，深度学习技术的发展，为脑机接口研究提供了很大的帮助。上海交通大学智能交互与认知工程上海高校重点实验室主任、IEEE Fellow 吕宝粮的研究重点是情感脑机接口，包括情绪识别、疲劳检测等。他举例说，比如以往信号梳理结果的个人差异非常大，深度学习则极大地改善了这一问题，然而，深度学习并没有从原理上推动其更进一步，特别是关于大脑工作机制的研究，尚属于浅层。当深度学习技术慢慢触及到了天花板，短期内也许很难再看到突破性研究，脑机接口的前景却逐渐清晰。人工智能和脑机接口，两者正在互相推动发展，人工智能和脑机接口技术的结合将为模拟人类智能的目标实现提供新的可能。脑机接口研究实际上是把人的智能和人工智能放到一个平台上来研究，高上凯认为：「这两者之间互补，一旦找到一个合适的方法，充分发挥人的智能和人工智能优势的话，一定有一个突飞猛进的进步。」新一轮的科技产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构，中国脑计划、人工智能是国家战略中非常重要的一项基础环节。脑科学将会是中国成为世界主要科学中心和创新高低的一大关键。自从去年张钹院士出任脑陆科技首席技术专家以来，很多人就开始思考：80 多岁高龄的张钹院士，为何如此青睐一家创业三年的公司？原因或许就隐藏在他的寄语中：「无论是发展脑科学本身，还是与其它学科的交叉，都需要创新，特别是从 0 到 1 的创新。我们特别希望更多的有志青年，能够加入到脑科学研究的行列中来。科学研究的长期发展，依靠的永远是青年人的热血、情怀和投入。」脑陆科技正是张钹院士看好的一支团队，他称自己作为「30 后」，与一群「90 后」达成了穿越半个多世纪的合作。脑陆科技成立于 2018 年，总部位于北京，在硅谷设有脑科学技术顾问团队，核心成员均来自哈佛、斯坦福、麻省理工、牛津、清华等知名高校。脑陆科技与清华大学联合主导研发的通用脑机接口技术服务平台「Open-BrainUp」是全球第一个支持多款常用脑机接口设备连接与使用的专业脑机接口技术服务平台，可一站式解决从设备佩戴、交互任务定义、数据获取与交互等全链条脑机交互应用流程，为脑机接口技术的相关团队或个体提供基础工具，旨在加速以脑科学为核心的新一代 AI 技术发展进程。脑机接口是一项门槛高、要求复杂的系统性工程，其应用广泛且横跨多个领域，往往技术发展速度要快于产品的应用落地。脑陆科技目前聚集底层技术研发，并以底层技术为起点，延伸探索落地产品，除个人消费级的睡眠产品外，探索出的商业化产品包括：
- 记忆增强产品，与宣武医院、清华、浙大合作，处于临床实验阶段，将申请创新类医疗器械证，应用于阿尔兹海默症、认知障碍病人、与需要记忆功能改善的青少年群体；
- 企业级产品方向，应用于安防与安全生产管理的实时监测保护作业人员精神状态的安全帽，客户包括应急管理部门、电力、铁路、煤炭行业的大型央企；
- 使用脑机接口技术的精神健康筛查与测量服务，通过便携式干电极，达到与医院湿电极脑电仪同等的精度，主要客户包括社区医院、体检中心；同时，脑电硬件产品部分已获得医疗器械证；
- 与娱乐产业合作，推出脑控小车、脑控 VR/AR，增强视觉交互体验。
很多脑机接口领域的企业都将睡眠作为突破口，脑陆科技也正在以此寻找脑科学的落地场景。在本次大会上，脑陆科技也正式发布了全新的 BCI 消费级产品「SleepUp」，它也是全球目前已知最轻便的 BCI 产品。SleepUp 基于世界领先的 EEG 采集技术，融合多模态生物信号采集技术，经过近百次医院、医生和睡眠技师标注，多导睡眠仪（PSG）整晚信号校对，在机器学习算法支持下，为用户提供精准的睡眠管理方案。此外，SleepUp 还可通过识别人体脑电，根据用户大脑神经信号状态，智能匹配不同频段和能量的个性化声波，诱导大脑神经信号由兴奋逐步过渡到平静睡眠状态，优化深度睡眠时长，助力失眠人群重获好眠体验。在走向第三代人工智能的过程中，脑机接口技术与人工智能技术结合应用是最具前景的落地领域之一。这是一个新的领域，正如张钹院士所说：「中国要想在行业的层面或者科学研究的层面上要赶超世界的水平，唯一的途径就是从这个行业发展开始的初期，科学研究一开始就是参与者，才有可能在这个领域中间站到重要的地位。」需要看到的是，相较于上个世纪就已经启动全国性脑科学计划的欧美国家，我国在脑科学研究领域的起步较晚，也由此导致了相关领域人才的缺乏。虽然在同一起跑线上，但存在人才创新能力不足的问题。探索科学前沿的高素质人才的数量和质量，将决定科学研究前进的步伐。在脑科学开放日活动上，脑陆科技正式启动了「脑科学登陆计划」，宣布将面向常青藤和国内高等院校神经科学、微电子学、材料学，人工智能、电子信息工程、计算机等软硬件技术型专业的学生，招募、培养出脑科学这一交叉学科领域的更多人才，助力中国在脑科学研究领域领跑，并在全球脑科学竞赛中保持高超竞争力。
