宋杰

人類有多種感覺器官來感知外部信息，其中80%外部信息是通過視覺獲得的。但是迄今為止，視覺科學(xué)領(lǐng)域有一個(gè)重大基礎(chǔ)問題——我們?yōu)槭裁茨軌蛲瑫r(shí)看到畫面的細(xì)節(jié)和整體，依然困擾著全球視覺神經(jīng)科學(xué)家們。

國際神經(jīng)科學(xué)頂級期刊《神經(jīng)元》于今年3月30日發(fā)表了一個(gè)重大科技成果，探索和解答了這一視覺科學(xué)的重大命題。該成果來自中科院神經(jīng)科學(xué)研究所、腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心王偉研究組的最新突破性研究發(fā)現(xiàn)——編碼局部精細(xì)視覺信息的神經(jīng)元不僅存在于大腦初級視覺皮層，而且聚集成群存在于中高級視覺皮層。

該研究不僅能夠幫助我們認(rèn)識和理解靈長類大腦的工作原理，還將為神經(jīng)計(jì)算、類腦人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和人工智能信息處理提供新的理論指導(dǎo)和依據(jù)。

近日，《中國經(jīng)濟(jì)周刊》就此對中科院神經(jīng)科學(xué)研究所博士生導(dǎo)師王偉進(jìn)行了專訪。

發(fā)現(xiàn)大腦中的“千里眼”

王偉告訴《中國經(jīng)濟(jì)周刊》，“睜眼看世界”這個(gè)看似簡單的過程背后，有數(shù)百億神經(jīng)元的共同協(xié)作。過去的研究認(rèn)為，視覺信息在從低級視覺腦區(qū)向高級腦區(qū)傳遞的過程中，將很多精細(xì)的圖像信息過濾掉了。可是，為何我們最終感受到大腦呈現(xiàn)的圖像中，不僅有整體信息，更有豐富的細(xì)節(jié)信息？針對這一視覺科學(xué)的重大問題，王偉研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多年的研究攻關(guān)，深入解析了這一重大視覺感知問題的腦神經(jīng)基礎(chǔ)。

他們發(fā)現(xiàn)在靈長類較高級視覺腦區(qū)（V4）中，竟然存在能夠高保真地保留原本由初級視覺大腦擅長編碼的精細(xì)視覺信息，這些具有“千里眼”能力的神經(jīng)元，在高級視覺大腦是成群結(jié)隊(duì)集合在一起的。這意味著他們找到了之前不為人知的新的精細(xì)視覺信息處理途徑。

“就像是在茫茫大海中看到了新大陸！”王偉告訴記者。這一新發(fā)現(xiàn)揭示了較高級視覺腦區(qū)（V4）在整體和局部的視覺編碼中承上啟下的關(guān)鍵作用。V4腦區(qū)就好像一個(gè)戰(zhàn)場指揮官，不僅掌控著全局，還對細(xì)節(jié)了如指掌。

與此同時(shí)，王偉團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，編碼局部視覺信息的神經(jīng)元開始反應(yīng)的時(shí)間，比編碼整體視覺信息的神經(jīng)元至少要晚10毫秒以上。這說明在沒有特定視覺任務(wù)時(shí)，視覺感知是從整體開始的。這也符合人類“先整體后細(xì)節(jié)，先森林后樹木”的視覺體驗(yàn)。比如當(dāng)你漫步田野，視覺首先感知到的是田園整體的風(fēng)景，然后才是水塘邊的放牛娃。

十年磨一劍

這一改寫教科書的科研成果背后，是王偉團(tuán)隊(duì)長達(dá)10年的不懈努力。

2008年從英國全職回國建立實(shí)驗(yàn)室，中科院神經(jīng)科學(xué)研究所能夠給王偉的工資，只有他當(dāng)時(shí)在英國大學(xué)工資的1/4左右。但王偉看到的是，中科院神經(jīng)科學(xué)研究所所長蒲慕明院士營造的全球神經(jīng)科學(xué)界獨(dú)一無二的寧靜科研港灣。他說，這里的科學(xué)家有穩(wěn)定的運(yùn)行經(jīng)費(fèi)支持，可以將大部分精力集中在科研上，同時(shí)科研支撐和保障服務(wù)也是國際一流的。

2009年起，蒲慕明所長利用中國優(yōu)勢和特色，開始打造國際一流的非人靈長類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物平臺，這為他的研究插上了騰飛的翅膀——因?yàn)樾∈蟮囊曈X非常差，研究視覺認(rèn)知及其神經(jīng)活動(dòng)和腦機(jī)制，必須用與人類最接近的獼猴來做實(shí)驗(yàn)。

王偉博士的研究方向?qū)儆谙到y(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)。國內(nèi)該研究基礎(chǔ)薄弱，尤其是絕大多數(shù)高校本科教育沒有開設(shè)神經(jīng)生物學(xué)專業(yè)，以至于進(jìn)入神經(jīng)所的碩博連讀研究生缺乏神經(jīng)科學(xué)專業(yè)方面的知識和訓(xùn)練。王偉說，做如此高難度的實(shí)驗(yàn)，一個(gè)學(xué)生熟練掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)就要3到5年。經(jīng)費(fèi)穩(wěn)定，就能有穩(wěn)定的科研隊(duì)伍，讓他們安心完成世界級難題的挑戰(zhàn)，不急于畢業(yè)和出國。導(dǎo)師的科研熱情，穩(wěn)定的資源供給和陪伴指導(dǎo)，對留住他們也是十分重要的。國際同行競爭激烈，國家和研究所下達(dá)的科研任務(wù)卻刻不容緩。如果此時(shí)人才資源流失，將會(huì)是創(chuàng)新力量的重大損失。為此，王偉博士自己沖在科研的第一線，帶領(lǐng)研究生，主做所有關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)和收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并在實(shí)驗(yàn)過程中，向研究生示范，講解和交流科研心得體會(huì)。

中科院神經(jīng)科學(xué)研究所博士生導(dǎo)師王偉（右二）及其團(tuán)隊(duì)部分成員

“每一根頭發(fā)后面都站著至少一名大腦研究人員”

腦科學(xué)是生命科學(xué)研究的最后一個(gè)終極堡壘。中國工程院院士戴瓊海曾說過：盡管人工智能已經(jīng)成為“工具”，逐漸滲透到人類的生活中，代替人類進(jìn)行重復(fù)性工作，越來越多的機(jī)器使得人類勞動(dòng)力得以解放，有精力去追求創(chuàng)造性，但是“現(xiàn)有的算法與理想智能還有距離，迫切需要對腦科學(xué)進(jìn)行探索”。因此，人工智能的發(fā)展進(jìn)入到了包括腦科學(xué)的認(rèn)知機(jī)理在內(nèi)的“生物智能”發(fā)展階段。

人類大腦一般為1.4公斤左右，有近千億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元又包含上千個(gè)突起，從計(jì)算單元的數(shù)量上進(jìn)行比較，比目前最大規(guī)模的集成電路晶體管數(shù)量還高了數(shù)十萬倍。

人工智能歸根結(jié)底是以智能的方式來解決問題，理解具有超級智能的大腦工作原理，對于開發(fā)人工智能具有深刻的意義。腦科學(xué)的發(fā)展不但對于腦疾病的防治有巨大的推動(dòng)作用，還將強(qiáng)有力地推動(dòng)人工智能的進(jìn)一步發(fā)展，從而推動(dòng)人類經(jīng)濟(jì)文化的巨大變革和進(jìn)步。

由于認(rèn)識到腦科學(xué)對人工智能的推動(dòng)作用，美國、日本、澳大利亞和歐盟等國家和地區(qū)都已經(jīng)在積極布局各自的腦科學(xué)和利用計(jì)劃?？偹悸肥峭ㄟ^各種現(xiàn)代技術(shù)手段對不同物種的大腦進(jìn)行研究，以探索大腦運(yùn)行的基本原理，并以此為基礎(chǔ)，提出新一代的人工智能理論與方法，建立從機(jī)器感知、機(jī)器學(xué)習(xí)到機(jī)器思維和機(jī)器決策的顛覆性模型和工作方式。

科學(xué)研究不僅要滿足人們的好奇心，更要體現(xiàn)出對社會(huì)的價(jià)值。王偉說，腦科學(xué)研究，歸根結(jié)底是要服務(wù)于社會(huì)，從某個(gè)方面來改善人們的生活質(zhì)量。比如說如果某天我們攻克了老年癡呆癥，那將會(huì)使多少老人有一個(gè)幸福的晚年？如果我們找到了治療抑郁癥的有效方法，會(huì)使多少人免于痛苦？但是作為世界上最難研究的大腦，其基本的運(yùn)行原理尚不清楚，研究難度系數(shù)是極其巨大的，每一步進(jìn)展都十分艱難而緩慢，因此科研人員的分工極為精細(xì)。“可以毫不夸張地說，我們大腦外面對應(yīng)的每一根頭發(fā)背后都站著至少一名大腦研究人員。大腦的研究，需要國家對大腦研究隊(duì)伍全方位的支持。”王偉說。