12月27-29日，第二十三屆中國國際高新技術(shù)成果交易會中國高新技術(shù)論壇在深圳舉行，主題為“推動高質(zhì)量發(fā)展，構(gòu)建新發(fā)展格局”，中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院生物物理研究所研究員，中國科學(xué)院大學(xué)榮譽講席教授郭愛克出席并發(fā)表演講。
郭愛克在演講中指出，從宇宙創(chuàng)生到生命爆發(fā)，到智能演生再到人工智能，天地人腦萬物互聯(lián)，當代科學(xué)技術(shù)正處在大發(fā)展、大交叉、大融合的時代，科學(xué)正在向微觀、介觀、宏觀和宇觀進軍，正在向深海、深空、量子、大數(shù)據(jù)、通用智能、腦海深處進軍，物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)和智能科學(xué)正在相互照亮。
以下為發(fā)言實錄：
各位嘉賓，大家好！我今天報告的題目是“腦科學(xué)和類腦智能正在相互照亮”。從宇宙創(chuàng)生到生命爆發(fā)，到智能演生，再到人工智能，有一首詩講“腦比天恢弘，若將兩相并，腦中有天空，君亦在其中”。中國古代就有天人合一的哲學(xué)思想，近代西方也有天腦合一的觀念，如今我們大家都認為天地人腦萬物互聯(lián)。當代科學(xué)的技術(shù)正處在大發(fā)展、大交叉、大融合的時代，科學(xué)正在向微觀、介觀、宏觀和宇觀進軍，正在向深海、深空、量子、大數(shù)據(jù)、通用智能、腦海深處進軍，物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)和智能科學(xué)正在相互照亮，這是科學(xué)發(fā)展的必然規(guī)律。因為大自然是不分學(xué)科的，德國著名詩人歌德說過：“大自然不是核，也不是殼，它同時是一切?！?/p>
過去人們常說科學(xué)面對四大奧秘，宇宙起源、物質(zhì)本質(zhì)、生命起源、思維本質(zhì)，但這都是從學(xué)科角度來說的，實際上這是一個連續(xù)鏈條，一條演化歷史長河。科學(xué)是在求索從宇宙創(chuàng)生到智慧演生之路，在求索從無中生有到三生萬物之路，這就是復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)所開創(chuàng)的認知造路。2021年諾貝爾物理學(xué)家授予了三位研究復(fù)雜物理系統(tǒng)的科學(xué)家，以表彰他們在預(yù)測氣候變化和理解復(fù)雜物理系統(tǒng)的科學(xué)貢獻：“發(fā)現(xiàn)從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中的
無序和波動的相互作用”。帕里西（Giorgio Parisi）說過，他的大部分研究都涉及簡單的行為如何產(chǎn)生復(fù)雜的集體行為， 聯(lián)想到2019年物理諾獎對我們理解宇宙演化和地球在宇宙中的地位做出了重要的貢獻，指出了“從簡單的初始狀態(tài)按照簡單的定律演化出豐富的復(fù)雜性，需要漫長的時間和大量的物質(zhì)”。宇宙學(xué)告訴我們，在直徑長達十萬光年擁有上億顆恒星銀河系中，我們地球人很可能是唯一的智慧生物，人類大腦無疑是已知宇宙的最為復(fù)雜的智能系統(tǒng)，它好比一個無比龐大的交響樂團演奏恢弘的心智樂章。當下腦科學(xué)和智能科學(xué)正呈爆發(fā)之勢，二者怎樣才能相互照亮，如何從復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的思維，求索腦與智慧的關(guān)系，物質(zhì)與精神的關(guān)系，來回答腦在整體上怎樣工作的，這是戰(zhàn)略的制高點。
兩千多年前偉大的詩人屈原的長詩《天問》提出了172個問題，反映出我國先輩對宇宙洪荒，天地自然的思考與探索之心，“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”。1619年開普勒發(fā)表了《宇宙的和諧》（Harmonice Mundi）。開普勒一直懷有宇宙是一個和諧整體的強烈信念，他描述音樂和數(shù)學(xué)、音樂和宇宙規(guī)律的共同性。我們可以想象從宇宙和諧到大腦的心智樂章。從這張圖，我們可以看到大自然的魂魄，歐州椋鳥的群飛起舞，電線干上小鳥序列，以及馬踏雪原的奔騰。他們都遵循三個原則，一是聚集的原則，個體與鄰居相互靠近，以避免個體孤立；二是排斥的原則，個體與鄰居保持一定的距離，以避免個體間的碰撞；三是對齊的原則，個體與鄰居盡量保持速度大小和遠動方向一致性。
在我們的實驗室里，我們可以用兩臺高速的紅外相機正交放置拍攝不同數(shù)量梯度的飛行果蠅群體的時空交互行為；50只、150只、300只、600只，他們都維系了彼此不相碰撞。
我們這里提一個問題，為什么腦內(nèi)多巴胺系統(tǒng)能夠介導(dǎo)多種認知功能和精神活動？神奇多巴胺，天使兼魔鬼，這里是荷蘭大藝術(shù)家埃舍（M.C． Esher）的木刻畫。我們這里展示出一些圖畫，不用很多文字，表明多巴胺參與風險和不確定性抉擇，參與了毒癮、煙癮、網(wǎng)癮，酒癮，也參與雙向情感障礙：躁狂和焦慮，參與孤獨的行為，這是偉大的孤獨者梵高，參與頭痛、帕金森疾病、抑郁癥等等。
多巴胺是腦內(nèi)通貨，是獎勵價值的一種測度，多巴胺由腦內(nèi)的多巴胺神經(jīng)元生物合成并釋放，中腦多巴胺神經(jīng)元主要集中在黑質(zhì)致密區(qū)和中腦腹側(cè)被蓋區(qū)，果蠅130個多巴胺神經(jīng)元，小鼠為2—3萬，大鼠4—4.5萬，猴子是16—32萬，我們?nèi)祟悶?0—60萬，這與動物進化的趨勢是一致的。可以看到從腹側(cè)被蓋區(qū)投射到前額葉，參于很多腦功能，前額葉大腦當中的腦區(qū)的分布情況，可以用領(lǐng)結(jié)結(jié)構(gòu)（蝴蝶結(jié)）來表示，共有29個腦區(qū)，其中有17個腦區(qū)在領(lǐng)結(jié)芯。前額葉的功能有兩個重要的功能要素：一是自由意志，前額葉腦區(qū)受損的人常常表現(xiàn)出環(huán)境依賴綜合癥；二是與時俱進，前一分鐘還和一個朋友在聊天，下一分鐘就要去趕飛機了，所以，自由意志和與時俱進是前額葉腦功能的兩個基本符號。
這兩個特征是怎么實現(xiàn)的？前額葉的基本功能是基于多巴胺的動態(tài)門控機制，當閘門開啟時，前額葉會迅速更新信息，當閘門關(guān)閉時，可以穩(wěn)健保存現(xiàn)有的主要信息。這個過程我們可以用中國太極圖表示，當D2開啟時，是與時俱進的，當D1開啟時是自由意志的。大草原田鼠的伏隔核（NAc）的多巴胺 D1和 D2 對維系該種鼠的“一夫一妻”制起關(guān)健的，但是相反的作用。激活D1 受體阻止“一夫一妻”的最初形成，而激活D2 受體卻促進配偶偏好過程。 這個過程與成癮過程極為相似：激活多巴胺D2受體，將導(dǎo)致復(fù)吸，反之激活多巴胺D1受體將阻止復(fù)吸。即使是線蟲（C.elegans）的多巴胺D1和D2受體在運動調(diào)控中也相互拮抗。
多巴胺的功能怎樣描述？它可以用這樣的公式表示，多巴胺的反應(yīng)=實際上獲得的回報-預(yù)期的回報，這個差值如果是正，多巴胺反應(yīng)是積極的；如果是負的，多巴胺反應(yīng)是消極的；如果是0，多巴胺反應(yīng)是無動于衷。多巴胺的編碼原則和信息論一脈相承，按信息論之父香農(nóng)的定義，100 % 出現(xiàn)的，信息等于0；如講“太陽從東方升起”，大家都知道，是不含信息量的，如某一事件出現(xiàn)的概率很小反而蘊含了大量的信息量，這是由香農(nóng)公式給出來的。
直覺也是一種智能，多巴胺系統(tǒng)是通用獎勵貨幣，是我們評價我們的世界和其他人的一種方式，所以我將它稱之為“腦幣”，每當我們沒法用簡單的源由來解釋我們做的某項決策時，那就是直覺腦內(nèi)多巴胺驅(qū)使我們做的，在決策過程中，多巴胺不知不覺地參與了投票。俗話說，情人眼里出西施，西施眼里出白癡，就是由多巴胺投票造成的感知現(xiàn)象。多巴胺是一種神經(jīng)調(diào)質(zhì)，調(diào)控期望、預(yù)測和風險；多巴胺的功能是跨物種保守的，這是根據(jù)達爾文的大道至簡大美天成可以悟到的。我們與果蠅同在藍天下，同住地球村，它的消化道、體結(jié)構(gòu)、分泌系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和人類的都是可以相類比的，果蠅的腦內(nèi)多巴胺系統(tǒng)和哺乳動物的多巴胺系統(tǒng)在合成、運輸、分泌、信號接收和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方面有大多數(shù)基因都是保守，只是參與多巴胺代謝的主要酶在兩種物種中是不同的。
強化學(xué)習（Reinforcement Learning， RL），又稱再勵學(xué)習、評價學(xué)習或增強學(xué)習，是機器學(xué)習的范式和方法論之一，用于描述和解決智能體（agent）在與環(huán)境的交互過程中通過學(xué)習策略以達成回報最大化或?qū)崿F(xiàn)特定目標的問題。
腦科學(xué)和類腦智能正在相互照亮，最近，Will Dabney 等科學(xué)家（2020）提出了一個受最近人工智能啟發(fā)的基于多巴胺強化學(xué)習的分布式強化學(xué)習的新思路。假設(shè)大腦表征未來可能的回報，并不是用一種單一的平均值方式（大鍋飯），而是一種同時并平行地有效地表征多個未來后果的概率性分布。這個想法意味著有一套預(yù)測組的檢驗。Will Dabney 等 使用來自小鼠腹側(cè)被蓋區(qū)VTA的單細胞記錄來進行檢驗，為分布式強化學(xué)習的神經(jīng)實現(xiàn)提供了有力的證據(jù) 。
多巴胺的功能，我們可以理解它是一個辯證法，怎樣解決天使和惡魔的矛盾呢？中華民族永恒的太極智慧，老子的道德經(jīng)講 “萬物負陰而抱陽，沖氣以為和”，即由陰陽兩個對立共存的方面相互矛盾沖突 產(chǎn)生第三者，即“先二而后三”， 進而生成萬物?！逼娈嫻残蕾p，寓意相與析，我可以用三個世界著名的畫作來詮釋這個1→2→3概念。 這是蒙娜麗莎(27.540, -0.19, -0.69%)，道生一；這是畢加索的畫，是一生二，這是二生三的畫。最后是中國故宮博物院國寶級藏畫，一團和氣圖。1465年明憲宗朱見深所繪。
恩格斯在自然辯證法中這樣論述，“一切差異都在中間階段融合，一切對立都經(jīng)過中間環(huán)節(jié)而相互給過渡，辯證法不知道什么絕對分明和固定不變的界限，不知道什么無條件的普遍有效的非此即彼，它使固定的形而上學(xué)的差異互相過渡，除了非此即彼又在適當?shù)牡胤匠姓J亦此亦彼，并且使對立互為中介?！?。這段論述與老子的陰陽對立統(tǒng)一觀是何等相近呀！