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人工智能需要来自大脑的启发

10月29日下午消息,2017未来科学大奖颁奖典礼暨未来论坛年会在京举办。会上,斯坦福大学文理学院讲席教授,美国艺术与科学学院院士,美国科学院院士,未来科学大奖科学委员会委员骆利群发表主题演讲。
发布时间:2017-10-29 18:24        来源:互联网        作者:

骆利群

10月29日下午消息,2017未来科学大奖颁奖典礼暨未来论坛年会在京举办。会上,斯坦福大学文理学院讲席教授,美国艺术与科学学院院士,美国科学院院士,未来科学大奖科学委员会委员骆利群发表主题演讲。

  以下为骆利群演讲实录:

很高兴来参加未来论坛,在最近两天学了很多,各种各样的不同学科,也是因为我做研究主要是在美国做,所以我的习惯还是用英语来讲,对不起。

一千亿个神经元如何来构建了我们的感知、行动、情绪、记忆和动机呢?这是非常深层次的问题,在我们的科学中在神经学当中。在本次会议中我们已经听到了非常多关于人工智能的内容,比如说刚刚丁健所讲到的,还有相关的比较。那么实际上我也希望回应这样的一种认知。实际上人工智能是需要很多的信息和很多学习和来自大脑的启发,因为这实际上还不完全是人工智能,我们现在讲的是真正的智能。

所以,在学习神经科学的过程中,我们会在不同的层次上研究大脑,比如说有的人会去研究某一些蛋白质是怎么样运作的,比如说包括了离子通道可以允许这些离子在一些膜当中进行移动,同时可以对于神经元的引号给吃一些通道,还有研究突处的,刚刚说在大脑中超过一百万亿的突出,这样的话可以让神经元进行联系。另外是这里会关注个体的突突和轴突,这些记忆会在大脑中不断的进行输入。还有一些会达到三倍的信息的输入,还有一些是关于神经元如何进行连接的,来确定一些神经回路。还有其他的一些回路,如何去进行信息处理的,还有一些会研究整个大脑的网络中如何在行为中进行传的,比如说刚刚我们提到了前面教授给我们讲到的,怎么样通过这种功能性的共振来研究人类的各种行为,而传统来讲这些研究实际上会被分为不同的子学科,比如说分子和神经学上的,还有系统和神经行为学和心理学,我们其中一个在在神经系统中研究的内容,过去的十年中最令人激动的进展之一是对于这些大脑的各不同层次的研究和整合,所以今天希望跟大家做的介绍是我们自己最近研究的例子给大家去描绘一下神经科学家如何开始对于分子细胞和整个大脑来进行整合,帮助我们解答关于神经学和生物学的问题。我们通常都会通过一些动物来进行研究,比如说用的最多是果蝇和老鼠,可以知道它们是怎么样的发育,以及在过程中如何运作的,我们有一些工作来帮助我们回答这些问题,并且阶度越来越高,一会儿会给大家介绍的是我们使用的是TRAP这样的工具,让这些神经元被激活,进一步帮助我们研究和探索在神经基础上的动机,不知道大家有没有任何生物学方面的背景,如果是的话一定会同意我在过去的几十年当中在基因学方面的分析已经在生物的研究中发挥了重要的作用。比如说这里我们有单一的基因可以进行删除,重新的剪接,而且还可以看他们在细胞学上的功能,我们已经知道在细胞层面上,当一个细胞分裂成两个细胞,以及在这样一个过程中,如果出现了问题的话,又会怎么样导致肿瘤,十年之前的时间我们和两位一起提出,我想说我们是一个倡议的方法,应该说对于回路的基因解剖,使用的是对于一组神经群,然后用基因来对他们的每一个单元进行研究。研究了每一个神经元和神经回路,尽量的去这些有机动物的一些行为的情况,并且也知道在大脑当中,有各种细胞类型,包括了他们的各种连接,比如说哪些神经元和哪些神经元相互了解,也了解他们对这样的一个刺激的生理反映,以及他们的方法,我们能够了解在神经基础上的行为。

而且,实际论文在过去的几十年当中都已经被发布出来了,利用这样的方式能够进一步的研究,到底具体的神经元的功能是怎么样的,对于行为有什么样的影响,而实际上我们在工具上对于重要的神经的精准的了解,还是非常的,有的时候我们需要找到相关的工具,像手术刀一样,我们就做了这样一个基于他们活动的靶向神经元的工具,而不只是细胞类型。所以他们的大脑中有非常多的基因,而这些表达实际上非常迅速的被他们的活动进行瞬间的开启。举一个例子,这里是FOS这样一个基因,他的特性是神经元做很多的瞬间的活动的时候会被开启的基因,这样的性质特质下我们做了一个基因上的功能安排出来的老鼠后,会有一个药物诱导的DNA剪切霉,叫做CREER,它会表达,像Fos一样,但是它们如果现在被开启的话,我们开启了很多次,也不会有任何的执行发生。因为它在细胞核当中的。所以接下来我们会让这些动物会有一些经验,然后大家在这样一个用药的阶段会被激活的一个神经元,这个时候我们能够更好对这样一个霉进行转运,传送之后,就能够表达出这样的一个叫做番茄的红色的一个标记。那么在这样一个非常简单的原则上的研究中我们直接从一个老虎的须中取到一个然后去诱导药物,让它们在笼子当中跑,一周之后我们去检查这只老鼠的大脑皮质的情况和刺激情况和须之间的关系,我们让它感知环境以后我们会发现它会激活一个脑皮质区,我们会发现所有的平状脑区都得到的番茄表达的标记,而试验区可以看到这个桶状区和他的被摘掉的须相对应,我们只剩下一个没有摘掉,这个时候会发现留下的须是有标记的,我们会发现为什么动物要做它们做的事情呢?实际上对此有非常多的讨论,还有在心理学的辩论。举一个例子来说,非常著名的理论是行为实际上应该是一系列的一种刺激与响应的耦合,举一个例子来说,如果你缺水的话希望能喝一点水,同时,你也会努力去找水,或者是说你可以去容忍苦一点的水,因为你已经渴了。同样的,当你想吃东西的时候,或者是说脱水时候,会有一些类似的刺激与响应的耦合,而在心理学当中有一个新的概念,叫做驱动力,它表达的是内在的一种推动力。所有的这些刺激都会让你的大脑有一个状态,比如说对水是渴,这样的渴的驱动力会推动你去做一些其他的努力,而获得水。实际上20世纪40年代的时候,这一位叫做克拉克的绅士就提出了一个动机的降低原则,他就是说如果是有一种渴的感觉的话,会让你有一种邪恶感,厌恶感,你会通过喝水来降低这样的厌恶感,这样的理论表示当你出现了体内平衡的脱离的时候,你水的平衡,以及偏离,这个时候你处于脱水状态,这个时候,他就已经没有了体内平衡了,这样的话就会给你创造第一个动机,会让你希望能够采取一些行动,来获得水,从而能够重新获得体内平衡。这样一个假设,还不仅仅是应用在一个主要的,内在的饥饿和渴和性的需求上,同时它还体现在了所谓的第二驱动力上,比如说金钱,名声和权利,所以在座的听众中我知道有很多非常富有,你可以问你自己,这样的一种关于动机的原理是不是适用于你自身。所以接下来对于这样的一个理论下,它的神经的基础是不清楚的,而实际上有一些相反的证据,十年之后,很多人有一个新的方法去检验对于动物的动机的情况,这是一个例子,这是一个电极,把它植入到了老鼠的大脑中,这是一个小老鼠。要大一点的老鼠,所以说认知老鼠就是任何时候如果去按一下这一个肝的话,这一个电激会刺激他的某一些脑区,某一些神经元被激活,实际上对于他的动机区,比如说高兴的区的话,这样的话就有一些好的刺激和感受,会不断的压这个肝,对于这种动机的话会不断的去这样做,即便说不吃饭,不喝水,还有其他的一些需求的放弃,也没有问题。所以这样的过程中,通过这种刺激会诱导他去吃,去喝,而且它看起来是非常具有一种奖励感的,而不是厌恶感,这是刚刚我们说到动机理论所展现出来的例子,实际上反过来,大家还会有其他的模型。叫做动机显著性,这样的话,当它们口渴的时候,喝水的奖励感会更强。

接下来在这样的背景下,我希望跟大家去做一个介绍,关于这个动机的例子。实际上,已经对于大脑当中的饥渴感有很多的了解,我们口渴的时候,我们的这些荷尔蒙的水平和其他的一些SFO,OEFT有所变化,实际上它会跟跟正祥和相关,他会把这个信息传递给大脑其他的地方,这个时候出现钟摆的血液渗透浓度的变化,会发生偏离,这个时候我们知道水对于我们的生存是至关重要的,问题是正中是祥和的神经元,不仅是接口的,也会管理我们对温度的感知和睡眠,以及电解质平衡等等,这样的话我们会把具体的,把它的第一个被激活的神经元进行分离,然后进行操作,实际上这是由我们的一个研究生所做的研究。这个实验中,我们会把这个药物去进行注入。然后它会进入到神经核当中。当他们完全是渴了之后会喝,但是如果他们不渴的话,就没有什么动机,但是我们让它有四个小时不喝水,之后再去将这个药物进行注入,会看到它的实景祥和高度被激活,后面每一个点都是被激活的神经元,我们对它的退益性和效率进行检测,对单独两个试验来进行验证的,这是我们TRAP的报告。这是左边的那个,右边那个主要是看到了表达的,可以看到有非常强的一种连接。而且两个经验是一样的。第二个经验是关于冷暖的,把它放在37摄氏度的地方,放四个小时,然后在绿色之前,大家可以看到红色和绿色的部分是不一样的。他们有很少的是黄色的部分。所以就表示这些神经元实际上因为饥渴和温暖而被激活,而且是在完全不一样的群体中体现出来的。通过这样的一种TRAP的研究中可以观察并且去做一些动作来进行对于光遗传学的研究,这实际上是一些来自于光敏的离子通道,而且他们要么是会有一些正离子进入细胞去激活神经元,或者是说负离子进入细胞,对细胞进行失活的处理,这样的话就像蛋白质进入以后对它进行开启和关闭,这样的话我们对一些离子通道,对于一些在饥饿的这些阵中是祥和当中来进行选择性的表达,这样的话,我们在他不缺水的情况下,不关注是不是有多少水,但是比如说我们关了灯,然后延迟几分钟,然后就去找水。希望喝水。一直喝,不停,除非我们把灯打开,虽然说已经不渴了,还继续喝,实际上我们还可以让他去按照这个感来喝水。实际上这是一个条件,当他们渴的时候,这些老鼠得到培训之后很快会按这个,但是如果不渴的话,我们并不会浪费时间去做没有意义的事情。

所以,如果说它不渴的话,它会很懒不会去喝水,但是如果我们把光打开,会看到这样一个饥渴的老鼠的过程中,我们会看到灯打开了这个开关,会再去喝水,因为这个实际上是不想喝水的,如果我们对它进行一个负控制的话就没有关系了。不会开启这个光,就不会去喝。我们通过了这样的一种频率刺激来去了解到底他们会多大频率的去按这个喝水的杆,而实际上我们为了去激活它们,知道它们在神经学的神经元动态变化,我们这里有一个重要的动态工具,神经科学中非常必不可少的,对于这样一种光蛋白,比如说GCAMP6的光蛋白,这样的话可以将荧光打开,这样的一个右边的数据,大家可以看到对于每一个神经元的上升,实际上都对应着一次荧光的上升。对于这样的一种光蛋白的指标,放在正中是祥和当中,并且放一个电极在这里,我们可以去监测他们的状态,这是光纤维的检测工具,如果是渴的话,给它水喝,它的活动会巨大的降低,实际上当他们口渴的时候才会激活神经元,我们可以让水的摄入下降,让他按一下杆会喝水,这个时候大家会看到水的活动会下降得慢一点,如果溜一下再喝水会更慢,可以看到饥渴的神经元就整合了它对于水摄入需求。

最后跟大家说说这个老鼠感觉好还是不好,让它们自己选择屋子,其中一个会对神经元进行激活,而在上面的这个笼子的话,是更加的平均的分配的,这样的话,这个渴的,它会躲在一个没有光的地方,也就是说对于神经元的激活让它感到不好,实际上我们也可以培训老鼠,这个研究中我们永远可以去把光打开,对这些神经元进行开启,这些老鼠唯一可以让这个光不会去激活的方式,就是每一次如果每一下这个杆会光关闭二十秒,这个时候它的厌恶感会有所变化,同时还可以看到跟它的刺激的频度成比例,所以根据总结我们的研究表明,这样一个在海马体当中,这是一个规模性的,他们实际上是第一驱动动机的关键,可以让它们寻求水来消耗水,摄入水,而水的摄入会进一步的导致它们对于这样一种厌恶感的降低,所以通过使用现代的神经科学的工具,并且精准的去找到这些神经元,并且使用这些工具来人为的去关闭或者是说激活神经元,并且进行研究,给我们带来了非常广阔的神经研究的基础。而对于一些上了几十年的关于心理学的动机,降低相关原理,是非常有益的,所以我也通过这样的一个介绍给大家一个大致的感觉,这是完成这项研究的学生,包括研究生,以及我自己也参与其中。而这个老鼠是另外一个同事,在我的实验室中的劳拉所提供的相关工具,这是科学杂志中发表出来的,大家想了解更多的话可以去读一读上面的论文,而且还有一个非常好的中国的期刊,知识分子,也很好的概括了我们的研究。

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