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想要研究大脑,你必须先了解下虚拟大脑

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最近德国科学家作了一项研究,其通过构建一个重度抑郁症计算模型,来揭示重度抑郁症对老年人的记忆和远期记忆的影响。如果这个计算模型是正确的话,则表明重度抑郁症可能会对老年人的短暂记忆甚至是长远的记忆产生毁灭性的影响。

引起我们关注的不仅仅是其对抑郁症影响老年人记忆的关注,更在于其研究方式:建立大脑计算模型,即虚拟大脑。研究人员通过捕捉病人的大脑特征,成功测试了其模型存储和和回忆新记忆的能力。并且发现,在抑郁症发作的时候,大脑模型中形成了较少的神经元。

通过构建“虚拟大脑”来实现对大脑的研究,可能是当下最普遍也最靠谱的方式了。理论上来讲,如果能够做到真正地还原大脑,就可以揭示出大脑的奥秘,进而解决诸多疑难杂症。实际上,限制虚拟大脑功用的,正是模型完善度的不足。

或许,是时候了解一下到底何为“虚拟大脑”了。

大脑之难,难于上青天

大脑可以说拥有着整个人体当中最复杂的运行机制。若干年来,人类逐渐对身体的各个器官、组织的形状、成分构成、具体功用有了明确的认知,却唯独在大脑面前仍然是一个小学生。在弄清楚了自己的生理运行机制之后,人类非常想弄清楚关于精神和意识方面的内容,并且毫不怀疑地将这些内容的储藏地指向了大脑。

然而要想对大脑做出更深层次的研究,人们毫无疑问需要跨过好几个槛儿。

首先,大脑实在是太脆弱了。从结构上来讲,我们大脑是在坚固的头骨的护佑之下运行活动的。之所以被头骨包围,就是因为大脑本身很软,要不怎么都说“豆腐脑”呢。但是要对大脑进行研究,就必须要触碰到这些软软的本体,如果操作失误,很可能会给病人带来无法挽回的损失。并且大脑上布满了密密麻麻的神经元,随便动坏哪一块儿下半辈子可能都不好受。所以,研究活体大脑是一件争议很大的问题,即便是用拿病人来做研究,也存在面临未知风险的可能。

正是由于脑损伤的不可逆性,我们无法直接把手术刀伸进病人的大脑里左冲右突。在此之前,借助现代的医疗手段,比如读取脑电波、做ct、脑部磁共振等,本质上都是对大脑状态的复制和还原。但是其仍然存在一个问题:病人的大脑是处于变化之中的,利用这些检查做出的判断在严格意义上来讲都是“过去”的情况。可能一天半天的时间对处理一些常规的大脑疾病问题不大,但要破解大脑的奥秘,可能需要的就是实时的跟踪,而非总是落后一步。

而正因为大脑里可能藏着决定“人是人”的密码,在对其进行研究的时候还会经常面临伦理问题。比如对大脑的干预活动很可能会影响一个人的性格的改变。如果能让一个花花公子变成个谦谦君子倒还好,毕竟谁都喜欢;但是如果变成了地痞流氓怎么办?还能找医生再要一个人出来吗?

所以我们看到科学家们更多地选择对动物的大脑进行研究,以此试图找到对人类大脑研究的启示。这项工作诚然很有意义,但如果迈不到对人类大脑研究的那一步,其似乎永远都与最终目标差了一个阶段。

所以,大脑自身的复杂脆弱性、现代通用研究技术的限制性、伦理的争议性以及他物推及的不便性,似乎都在呼唤着新的大脑研究手段的到来。而虚拟大脑的提出,可能将会是对这些呼唤的最好的回应。

离我们很近的实体大脑

目前来讲,虚拟大脑主要有四种表现形式:3D打印模型、计算机虚拟模型、全息成像还原大脑场景和实验室培养的大脑。

3D打印目前来讲已经相当成熟,其在医疗方面的应用目前看来大有燎原之势。在医疗领域推广的过程中,3D打印被广泛用于各种手术的术前模拟当中。这样可令手术变得可重复,从而可以大大提高手术的成功率,降低风险。开颅手术对3D打印模型的应用自然是非常迫切的。以目前3D扫描的技术精度,打印出来的大脑模型能够精确地展现患者的血管和神经结构。难道这就够了吗?当然不够。只是呈现出大脑的形状已经不能满足科学家们的胃口了,最近他们正在测试不同的材料,以为3D打印的大脑添加触觉。如果其能成功,可能就意味着这个虚拟大脑从此有可能成活了。

而3D大脑存在的一个缺陷是,其可能由于算力的不足而导致对大脑的还原度不够,比如一些细微的血管、神经等。那么,提高模型的精度也就成为了3D打印大脑模型的重要工作。在这方面,德国尤利希研究中心的科学家们则利用了深度学习的方法来分析数千个超薄的大脑组织切片,然后在重新建立3D模型。

可以说,3D打印大脑是“看得着”的一种虚拟大脑,它是专为解决医疗问题而生的。而与之对应的实体虚拟大脑,则更能引起我们的兴趣。

在讨论这个之前,我们首先需要确定一下:我们所说的虚拟,是有别于一个人天然而生的大脑而言的。也就是说,除了从娘胎里带出来的是真实大脑之外,其他的任何无论是做出真实的可触性大脑还是基于计算机系统的大脑,都是我们所说的虚拟大脑。

然后,我们可以讨论一下另一种实体大脑:实验室培养大脑。

人工已经能够制造出大脑了?是的,这已经成为了现实。

美国俄亥俄州立大学的科学家们在实验室里培养出了第一个几乎完全成型的人类大脑。这个大脑一厘米见方,其发育程度大约相当于5周的婴儿。该大脑由体细胞被诱导才成为不成熟的干细胞之后通过编程为脑细胞生长。而英国的剑桥大学也培养出了在5个月长到4毫米见方的人造大脑,其拥有超过200万个神经元。而相似之处在于,这些人造大脑全都是没有意识的。

按照如今科技发展的速度,未来培养出完全适用于人类的大脑应该不是什么难事。而一旦此项技术成熟,其将可以被用来研究大量的医疗难题,尤其是精神方面的疾病,比如自闭症、阿尔茨海默症、帕金森氏症、精神分裂症等等。这些人造大脑将会为真正的大脑实验提供无限的可能。

但是大脑又不同于身体的其他器官,一旦人造大脑产生了意识,那么科学家们对它的研究也一定会再次遇到伦理方面的问题。在攻克疾病和伦理之间,人类就必须要做出一个选择。

看起来很远的“真·虚拟大脑”

在计算机科学等领域,虚拟大脑则显得更为科幻一点。

比如在2013年,华盛顿大学医学院、西班牙庞培法布拉大学和其他几个欧洲大学共同完成了一个用于研究大脑解剖学构造如何帮助产生和维护休息状态的大脑网络的计算机模型。研究人员通过该模型来将大脑伤害和其他原因导致的大脑网络损伤和记忆力、注意力等问题联系在一起进行研究。比如说,将中风等伤害加入到模型当中,来观察部分细胞受到摧残以后大脑功能的影响。

研究结果还是非常令人满意的,其观察的模拟情况基本与人类差别不大。但是仅仅20分钟的大脑模拟,就需要功率强大道德计算机连续工作26个小时以上,可见要想利用计算机完全虚拟大脑活动,计算机的算力必须要足够才行。

无独有偶,最近德国、日本、挪威和瑞典的联合研究小组就通过创造一种新的算法,百分百模拟了整个大脑的100亿个神经元的互连。尴尬的是,目前即便是使用超级计算机也无法满足该算法对模拟大脑的需求。据了解,即便是该算法的早期版本,研究人员们在超级计算机上也只实现了1%的神经互连。由此,很难想象要用计算机来实现对大脑的真正模拟还需要多远的路遥走。

而有一群人则是在寻找另外一种方式来实现虚拟大脑,这就是利用全息成像的方式来还原大脑场景。

所谓全息成像还原大脑场景,即是利用闪光来控制神经元,从而对大脑活动实现复制粘贴。利用全息投影来实现对神经元的控制,我们将能够实现对感觉的复制。简单来讲,神经元成为了一种可以自由操纵的东西,比方说你总是怕疼,那就删掉!你不喜欢痒,删掉!甚至你如果想拥有男朋友的记忆,一样可以偷偷地将其植入到自己的脑袋里,这样你们家的日常聊天一定就会变成实话实说。

而更远的未来是,其将可以植入更多类型的感觉或者强化某种感觉。如果是盲人,其可以植入“视觉”的感觉,以后盲人出门走路有没有障碍物全靠意念;如果你想陪男朋友看世界杯但是自己又对足球没兴趣,那完全可以通过植入来强化,这样甚至还能够维系爱情和谐……

当然,这项被称为“全息大脑调制器”的技术好像还听起来有点科幻,但是科学家们确已在老鼠的身上实现了利用闪光来激活神经元。只是在具体的动作与实验的关联、实验设备等方面还需要进一步的研究和完善,但不可否认的是,这项技术将很可能改变整个人类。

而无论通过何种方式实现对大脑的模拟,其最终的目的都是一致的:让人类在避免对自己造成损伤的情况下弄清楚自己。也许对着脑袋开一刀是最简单便捷的方式,但因为许多原因,人类选择了通过绕路的方式来逼近终点。也许最远的路才是正确的路,在这个途中,我们可能将一点一点地解决记忆、遗忘、存储、精神疾病等问题,甚至在最后还可能实现对大脑的手动武装,比如装个脑机接口什么的。

大脑本身就很科幻,而用虚拟的方式来研究一项科幻的内容,想象都觉得这是一件逼格很高的事情。

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