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中国人工智能学会通讯——脑智基础及其调控

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《脑智基础及其调控》这个题目是很大的,但是在这个场合来作报告,就必须要跟智力挂点钩,所以我就起了这样一个题目。

首先我要问一个问题,什么是智能?我自己因为这个会议也翻了一下文献,比如我们从百度的百科看到(这也是国内的专家写的),它对智能的定义是从感觉到记忆到思维的整个过程,称为智慧;有智慧就会产生语言和行为,语言和行为的表达过程称为能力,两者结合起来才叫智能。跟这两者相关的就有智商和能商的概念,大家很重视的情商就是调节这两个的东西。

维基百科怎么说的?它说智力和能力是指生物一般性的精神能力,包括理解、计划、解决问题,以及抽象思维、表达意念及语言和学习的能力。有很多智力测验说的就是测量这个精神能力,这是维基百科的说法。

做心理学理论的大家则提出了智能可以分为9大方面(多元智能理论)。实际上这9个方面把我们平时想得到的东西基本上都包含进去了,所以智能是非常宽泛的,行为学、认知科学都在里面。那么什么是智能?可以说从自然科学、哲学甚至神学层面都有对智能、智慧的定义。也就是说,到现在没有统一的定义或者公认的测量方法。亚里士多德认为,关于智慧是一门关于第一原理的科学,拥有它已超出人类能力。还有人说,智能是自然界四大奥秘之一。总之,智能的边界不是很清楚,我们这里就不要纠结概念性的东西,而是把我们大家觉得是智能的东西实实在在往前做就可以了。

我们论坛是讲脑科学与人工智能,我下面谈谈智能的生物机制问题,这个问题也是非常大的问题。

我看了一些文献,有人从双生子的角度(双生子就是双胞胎,它有同卵双生和异卵双生,同卵就是一个细胞分裂出来两个小孩,异卵是两个卵细胞生下来两个小孩,这两个的遗传是不完全一样的),经过双生子研究结合韦氏智力量表,发现人脑的灰质的遗传度达到0.82、白质达到0.87、工作记忆达到0.67。这篇文章进一步指出,脑的灰质、白质与智力的关系也具有很高的遗传度,所以该文确实说明有的智慧完全靠后天学是不行的。这一点是否给人一个印象:脑袋越大越聪明?有人统计了哺乳类动物的情况,发现人的大脑在哺乳类动物中不是最大的,而且它与体重的占比也不是最大的,都是处在靠前面的位置但不是最大的,这就说明人之所以聪明不是简单的因为人脑很大,而可能是脑功能模块的组合优化所导致。也就是说,人脑所具备的许多能力在其他动物中也有,但是它们可能只是具有单一的能力,而我们拥有这些能力的综合,我们的大脑比它们更优化,虽然是同样一堆东西。

最近脑科学的一个非常热的领域是脑网络,这个脑网络跟智力是什么关系?有个研究做了这样的事情,比如我们可以在静息态下,测他的功能磁共振,也可以在任务态下测磁共振,看他的大脑有多少变化,就是研究静息态到任务态时脑网络的变化,如果网络之间相关性高,就说明变化不大。结果发现,智商高的人,在做同样任务时他的脑网络改变小,智商低的人改变大。所以我就给其总结了一句话:“出活的人不费力”;而智商低一点的人可能大脑改变了很多,但是做的结果还没有那么好,所以“费力不一定能出活”的,因此每个人要干适合自己的事情。

做脑科学研究有一个大家比较认可的思路,就是脑损伤研究,这个脑区是干什么的,找一个人,他的脑区因为各种原因受伤了,他的智力有什么变化?能力又有什么变化?有个研究发现,流体智力跟额叶、顶叶或枕叶这些区域是非常关联的,这些区域受损的面积越大,它的流体智力降低就越多。这跟我小时候听老人说的一个概念“前啄金,后啄银”(四川方言)不谋而合。意思是说,看小孩先看他的额叶,额叶突出意味着这个小孩可能聪明,有前途;换成现在的话就是,额叶比较发达的话,他的智商就比较高,后面前途可能就比较好。除了前额叶以外,枕叶也很重要。实际上,现在大量的神经科学研究都表明额叶是非常重要的,很多重要的功能都在额叶完成的。

前面我们谈到了,人的智力、智商这些东西确实是有脑科学基础的,而且很多东西是由遗传决定的。下面我讲第三个方面——智力有没有办法调控?并介绍一些我们的相关工作。

  1. 关于聪明药。有文献说,2014年在英国、爱尔兰有个调查,发现有3%以上的学生用过聪明药,希望实现认知增强,这就有可能出现一个问题,高考时会不会有家长给小孩买所谓的聪明药去吃?另外一个调查显示,外科医生大概有20%的人在一生当中至少用过一次聪明药。鉴于这个情况,除了体育运动等领域要搞兴奋剂检查外,现在很多人提出在智力比赛的领域,比如高考或全球性的电子游戏大赛都是靠脑力来拼输赢的领域,可能以后也要引入是否服用了所谓聪明药的问题。

然而,聪明药到底是些什么样的药?可惜文献认为现在没有大家公认的聪明药,使用的往往是一些现成的处方药的功能泛化,或者处方药被非法购买或者被标识外使用。这个药本来告诉你治疗某个病,而被另一些人当作了聪明药用。举个例子,处理注意力不集中(ADHD)的安非他明、利他林以及处理睡眠紊乱的莫达非尼,就被有的人扩大化为聪明药使用了。这些药本身是把病人调到正常状态,是有科学依据的。但是这种东西能不能把一个正常人变的超常?这是没有科学依据的,至少没有人做过这种研究;同时,相关的副作用也没有充分研究,所以我觉得还是要谨慎使用,尤其在高考这种事情上,还是不要为了那几分做这样的事情。

那么到底有没有合法的聪明药?文献中举的一个例子是尼古丁,看来抽烟还是有一定价值的,比如抽烟之后精神状态好一些,注意力集中一些;还有一个例子就是咖啡因,大概喝咖啡的人都认同它有提神的效果。

聪明药的事情可能在以后会成为一个重要话题,但是怎么有效管理、有效使用是一个很重要的问题,涉及到伦理问题了。

  1. 脑智调控的音乐方法。典型的例子是莫札特音乐效应。这个事情发生在1993年,一个学者在Nature上发了一篇一页纸的文章,其中只有一个图,这个图说,让人听莫札特K48,他的空间推理能力会增强,就是智力会提高。这个事情的影响太大了,现在已经是很大一个产业,涉及胎教、儿童音乐教育,基本上家家户户都恨不得买个钢琴,或者送孩子去做音乐培训。这个事情到底是怎么回事?

我们在前几年做了一个研究,就是把莫札特音乐反过来播,再看有什么效果。据说现在的年轻人中,有些人喜欢反播音乐,且有专门的播放器。从科学研究的角度看,反过来播与顺序播放的物理属性是一样的,可以排除不少干扰因素。我们对老鼠做水迷宫实验,让老鼠听了音乐之后再把它放在水迷宫里去,看它找到目标的时间长短,如果找到目标的时间短,就说明它聪明一点。对大学生,就让他做折纸实验,以考察其空间推理能力。结果显示,人和动物确实都有莫札特效应,就是听了莫札特音乐之后,他的空间记忆能力比对照要强。但是出乎我们预料的是,听反莫札特音乐有副作用,就是听了反的比不听还糟糕,这个对反听音乐的人来讲或许是个提醒。

我们又做了神经生物学实验,检测了齿状回的新生神经元的情况,发现听莫札特音乐的,神经元数量有增加,听反莫札特的神经元会减少。结论与上面的行为实验结果高度一致。

我们接着又问了一个问题,到底是莫札特里面的什么东西在起作用?以前都是把音乐当成一个整体在进行研究,我们把音乐解开为单独的节奏、单独的音高进行类似的研究,结果发现,听莫札特的节奏(就是把音高全部变成一样的)跟莫札特音乐是一样的,听反的节奏也跟反听莫札特音乐一样,而正反音高均无效应,这个实验充分表明,莫札特效应就是其节奏的效应。

  1. 游戏调控办法。游戏是伴随着人类演化过程而出现的,以前没有电子游戏,人们也一直在玩其他的游戏,我们小时候没有这些东西,在山坡上打草仗也在玩,总之游戏对人类是非常重要的。

昨天有人讲,机器人陪小孩玩最多玩三天,因为它没有电子游戏的吸引力大。有调查发现,美国大概有1.875亿游戏用户,占总人口的将近60%;中国有5.17亿游戏用户,平均每天超过一个小时的1.47亿人,这些都是正规的统计数据。

现在,电子游戏实际上已经是一个非常大的产业,各个地方都在抓。总之,游戏已经创造了一个虚拟世界,已经是影响我们人类的一个非常重要的因素,我们必须要面对它。

游戏可大致分为两类,一类是角色扮演游戏,据说这类游戏相对容易让人成瘾;另一种是对抗类的游戏,它强调竞争性、对抗性,这方面有官方的游戏竞赛,好像今年国内就有一个电子竞技方面的大赛。

游戏对大脑到底有什么影响?我先简单展示一下文献中的发现,比如有研究发现它对知觉和运动能力有增强作用,对注意力有增强作用,对执行功能也有增强作用,可以增进记忆力的恢复等。总之,有大量的文章报道了游戏的正面功能,当然也有一些报道了游戏的负面功能,无论如何,游戏已经是客观在这儿,我们需要去认识它。

下面我给大家报告一下我们实验室在这方面做的工作,第一个是关于电子游戏对脑岛的影响,我们发现游戏专家组,他们的脑岛的灰质体积有明显的增加,而且脑岛的亚区功能连接有明显的加强。这篇文章发表后媒体很关注,Nature Asia专门进行了报道,国内科技日报等也进行了报道。

我们做的第2个工作就是电子游戏对任务正网络的影响,我们的研究发现,在与注意和认知有关的网络上,动作游戏专家的网络参数,比如网络效率比其他人的要好。

接着我们做了电子游戏对全脑纤维连接的影响,现在有一个叫DTI的技术,能够把大脑里面的纤维连接成像出来,我们的结果发现,游戏专家组的执行网络、感觉运动网络、注意力网络的纤维连接显著高于业余组。此外,我们还做了1年的纵向研究,也得到了类似的结论。

最后探讨一下这个领域值得做的一些问题。

(1) 我们在这里讲智能、讲信息,那么大脑信息的冗余性和稳健性的问题就是一个很好的问题。

(2) 神经编码的问题,现在有一些基本的编码理论,但还有很多现象无法解释,需要创新神经编码的理论来回答。

(3) 脑网络现在非常火,并且发现了诸如小世界、无标度、富人俱乐部等现象,但人们对脑网络的动态机制、认知基础、重组规律仍然知之甚少。

(4) 脑科学还缺乏类似薛定谔方程之类的基础理论,Karl Friston的Bayes大脑是否真的反映了大脑的工作原理?

(本报告根据速记整理)

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