世界各國在人工智能技術(shù)研發(fā)方面的競爭呈白熱化狀態(tài)，對于腦科學(xué)的研究，也是如此。從上世紀(jì)90年代開始，美國、歐盟、日本都先后推出了本國腦科學(xué)時代的計(jì)劃綱要。進(jìn)入21世紀(jì)，2013年奧巴馬宣布了美國“腦計(jì)劃”戰(zhàn)略；2014年日本提出了“大腦革命計(jì)劃”；隨后加拿大、澳大利亞等國也都提出了相關(guān)計(jì)劃。中國也制訂了2016至2030年為期十五年的腦科研的發(fā)展規(guī)劃。國務(wù)院“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃中，將腦科學(xué)與類腦的研究列為科技創(chuàng)新的重大項(xiàng)目，這意味著腦科學(xué)研究已經(jīng)被列入我國的國家戰(zhàn)略之中。習(xí)近平總書記在2018年的兩院院士大會上強(qiáng)調(diào)，“以合成生物學(xué)、基因編輯、腦科學(xué)、再生醫(yī)學(xué)等為代表的生命科學(xué)領(lǐng)域孕育新的變革”。這進(jìn)一步凸顯了腦科學(xué)研究的基礎(chǔ)性、前瞻性和重要性。

一、腦科學(xué)研究的戰(zhàn)略意義

我們知道大腦是很神奇的器官，存在著很多奧秘。我今天從幾個方面，比較淺顯和初步地給大家介紹一些腦科學(xué)研究的基礎(chǔ)知識和應(yīng)用情況。

第一，科學(xué)意義重大，是科技競賽制高點(diǎn)。

腦科學(xué)是人類認(rèn)識自然的最后疆域。我們?nèi)祟愓J(rèn)識世界、改造世界，而最難的就是對自己認(rèn)知過程的認(rèn)知。著名諾貝爾獎得主拉蒙·卡哈爾說：“只要大腦的奧秘尚未大白于天下，宇宙仍將是一個謎。”

在過去一百年中，關(guān)于腦科學(xué)的研究獲得了近20個諾貝爾獎。世界頂級的科學(xué)雜志《Science》為了紀(jì)念創(chuàng)刊125周年，于2005年7月提出了125個重要的科學(xué)問題，其中就有18個屬于腦科學(xué)，所占比例達(dá)到了將近15%。這些都反映出腦科學(xué)研究的意義重大，是世界各國科技競賽的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

第二，關(guān)乎人民健康的國家重大需求。

中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人民越來越富裕，但是人口老齡化問題也日益凸顯。上海的老齡化人口比例已經(jīng)超過日本的全國平均值，由此帶來的腦相關(guān)疾病問題逐漸突出。2010年以來的數(shù)據(jù)顯示，腦相關(guān)疾病的發(fā)病率越來越高。腦疾病不會使人迅速死亡，而會讓人失能，拖得時間很長，給社會和家人造成沉重負(fù)擔(dān)。只有從腦科學(xué)著手，在腦科學(xué)領(lǐng)域取得突破，才能從根本上推進(jìn)腦相關(guān)疾病的預(yù)防和治療。

第三，開發(fā)兒童智力，發(fā)展教育新方法。

現(xiàn)在的孩子在暑假期間一直在補(bǔ)習(xí)，各種補(bǔ)習(xí)班很多。大家都很焦慮，不死記硬背就考不到好成績，而這顯然有悖于素質(zhì)教育。所以研究大腦學(xué)習(xí)的過程，讓小朋友們學(xué)會學(xué)習(xí)，這是我們腦科學(xué)研究的歷史使命。我們希望能夠發(fā)現(xiàn)和掌握人類智力發(fā)展的規(guī)律，改良教育方式，讓素質(zhì)教育成為主流，促進(jìn)人才的全面發(fā)展。

第四，促進(jìn)腦科學(xué)與類腦智能相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

人工智能和腦科學(xué)是現(xiàn)在非常熱門的兩個研究領(lǐng)域。與腦科學(xué)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)方興未艾。不僅如此，我們相信腦科學(xué)與人工智能相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)，一定會在未來幾十年大有發(fā)展。

第五，科技強(qiáng)軍，保障國防安全。

人類歷史進(jìn)程中有四次工業(yè)革命，第一次是機(jī)械化，第二次是電器化，第三次是自動化，第四次就是智能化。第四次工業(yè)革命將由腦科學(xué)和類腦智能主導(dǎo)。腦科學(xué)和軍事有著密切的關(guān)系。我們知道，電腦由兩部分組成，一部分叫軟件（software），一部分叫硬件（hardware）?，F(xiàn)在軍事上出現(xiàn)一個新名詞，叫濕件（wetware），指操縱軟件和硬件的人或者生物體。把生物體跟人類的控制結(jié)合起來，跟軍事的硬件和軟件結(jié)合起來，發(fā)展出新的軍事理論，已經(jīng)成為引導(dǎo)軍事革命的主流。所以制腦權(quán)已經(jīng)成為各國軍事戰(zhàn)略家關(guān)注的焦點(diǎn)。

以上我從科學(xué)意義、健康意義、教育意義、產(chǎn)業(yè)意義和軍事意義大概講了一下腦科學(xué)研究的重要性，下面我們進(jìn)入今天的主題：大腦有哪些奧秘。

二、大腦有哪些奧秘

大腦有這樣一些特點(diǎn)：它低能耗，非常高效，學(xué)習(xí)記憶速度快，非常靈活，具有創(chuàng)造性，控制運(yùn)動的能力非常強(qiáng)。

第一，大腦的基本結(jié)構(gòu)。

大腦里面有一個個的神經(jīng)細(xì)胞。神經(jīng)細(xì)胞細(xì)胞膜內(nèi)外的離子濃度不一樣，于是會產(chǎn)生一個跨細(xì)胞膜的電壓差。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞變活躍時，會產(chǎn)生一個脈沖的動作電位。依靠局部的離子流動，動作電位能夠在神經(jīng)細(xì)胞的軸突上傳遞，一直到軸突末梢的突觸結(jié)構(gòu)。神經(jīng)突觸將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，釋放出一種化學(xué)物質(zhì)傳給下一個細(xì)胞。下一個細(xì)胞又將它轉(zhuǎn)化為電信號，從而在腦子里一直傳下去。這就是大腦基本工作原理。

腦是自然界最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。大家知道我們的腦有多么復(fù)雜嗎？我們有860億個細(xì)胞，每個細(xì)胞可以跟另外1000個細(xì)胞形成連接，就會形成100萬億個連接。這種連接有多么復(fù)雜？電腦有網(wǎng)線的插口，把全世界網(wǎng)線的插口、互聯(lián)網(wǎng)的接口加到一塊，還沒有大腦連接的數(shù)量多。

大腦的功能就更加強(qiáng)大了，我們的大腦有感知、運(yùn)動、思維、智力等方面的功能。大腦是生物學(xué)的研究對象，也是物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科的研究對象。腦科學(xué)的研究是一門學(xué)科高度交叉的全研科學(xué)，層次很多，要從整體層次、網(wǎng)絡(luò)層次、環(huán)路層次到分子細(xì)胞層次等開展研究，所以腦科學(xué)是一門相當(dāng)復(fù)雜的學(xué)科。

第二，大腦的低能耗和高效性。

大腦的能耗是多少呢？一臺筆記本電腦的功率大概是110瓦，而我們大腦的功率是20瓦。這20瓦是怎么算出來的？我們既沒辦法用電壓表、電流表去測，又沒辦法把大腦取出來測量。大腦功率的20瓦是一個估算，具體估算過程如下：一個體重70公斤的男性，每天要吸收2500卡路里的熱量，才能保持身體不胖不瘦，就是基本上要消耗這么多的熱量。這相當(dāng)于一個人一天消耗的能量是10500000焦耳。一天的時間是86400秒，所以可以算出人體的功率是121.53瓦。又有人會問，我們可以算出來人體總體的瓦特?cái)?shù)，但怎么知道這121.53瓦里面有多少是腦子用的？這就有個技術(shù)問題。有種儀器設(shè)備叫正電子掃描儀器（PET），它是檢測體內(nèi)葡萄糖消耗量的機(jī)器。癌癥病人的葡萄糖消耗量高，所以PET能把癌細(xì)胞照出來。PET也可以檢測正常組織的葡萄糖消耗。葡萄糖就是我們的血糖，是最直接的能量消耗。用PET測量出人腦使用了身體六分之一，也就是約16.67%的葡萄糖。于是把人體的功率乘以16.67%，得出我們?nèi)四X的功率約等于20瓦。所以這是一個有道理的科學(xué)估算。

我們來比較一下這兩年很火的人機(jī)大戰(zhàn)?，F(xiàn)在阿爾法狗的風(fēng)頭正勁，我們看看阿爾法狗有多少功率。2016年戰(zhàn)勝李世石的那一代阿爾法狗有大量的中央處理器（CPU）和圖形處理器（GPU），下一盤棋需要1202個CPU和176個GPU。有人算出來這些處理器的功率約為17萬瓦，而這些機(jī)器要運(yùn)轉(zhuǎn)起來，還需要配置工程師。所以從能耗上講，人類并沒有輸。

為什么人腦會有這么高的能效性？比如現(xiàn)場有這么多聽眾，后面一位聽眾有與眾不同的表現(xiàn)，我就能找到他。這是因?yàn)槲覀內(nèi)四X有一種注意機(jī)制。什么是注意機(jī)制？就是大腦集中優(yōu)勢資源，處理當(dāng)前最重要的人物，也就是提高利用功效。這種能力能夠把無效的信號過濾掉，專門處理有用的信號，這是一個很重要的機(jī)制，機(jī)器很難做到這一點(diǎn)。

人類的注意機(jī)制有兩種：一種叫無意注意，是自下而上的過濾，也叫目標(biāo)顯著性的注意，意思是這個目標(biāo)比周邊其他目標(biāo)更顯著，從而引起注意。另一種是更高級的注意，也叫經(jīng)驗(yàn)依賴的注意，或者說是由頂至下的注意。人工智能可以比較好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)顯著性的注意，而要實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)依賴的注意就很難。