大脑芯片

高度模拟人脑计算原理的芯片

大脑芯片，也称类脑芯片，是一种高度模拟人脑计算原理的芯片，是指在生物大脑中植入电子芯片，通过芯片接收信号，将大脑信号转换为能够被计算机所了解和破译的编码，以达到影响或控制人行为的目的；是由神经元计算、突触权重存储、路由通信三部分构成。

简介

几十年来，科学家一直“训练”电脑，使其能够像人脑一样思考。这种挑战考验着科学的极限。IBM公司的研究人员18日表示，在将电脑与人脑结合在一起的研究道路上，他们取得了一项重大进展。

这家美国科技公司研制出两个芯片原型，与此前的PC和超级计算机采用的芯片相比，这些芯片处理数据的方式与人脑处理信息的方式更为接近。这两个芯片是一项为期6年的项目取得的一项具有里程碑意义的重大成就。共有100名研究人员参与这一项目，美国政府的国防高级研究计划局(DARPA)提供了4100万美元资金。IBM的投资数额并未对外公布。

两个芯片原型提供了进一步证据，证明“平行处理”日益提高的重要性。平行处理具体是指电脑同时处理多个任务。多任务处理对渲染图片和处理大量数据非常重要。迄今为止，这两个芯片仅用于处理一些非常简单的任务，例如操控一辆仿真车穿过迷宫或者玩《Pong》。它们最终走出实验室并应用于实际产品可能需要10年或者更长时间。

研制

技术人员便希望研制能够像人脑一样学习的电脑。iPhone或者谷歌服务器编程后能够根据以往的事件预测确定行为。IBM和其他公司及大学实验室研发的技术围绕“认知计算”展开，提高芯片处理意想不到的信息的能力。IBM之所以研发这种芯片是因为它们能够潜在地帮助处理现实世界的信号，例如温度、声音或者运动，用以提高电脑的功能。

在将发电站或者交通信号灯等实体基础设施与服务器或者软件等信息技术结合，帮助管理它们的功能方面，总部设于纽约的IBM扮演着领导者角色。类似这样的研究计划能够研制出性能更为出色的工具，用于监视存在于这些环境下的无数模拟信号。IBM芯片研制项目领导人达曼德拉·摩德哈表示，新型芯片的组件就像是数字神经细胞和数字突触，因此有别于其他芯片。每一个核或者处理器引擎都拥有计算、通讯和存储功能。他说：“我们不得不抛弃自己了解的有关芯片设计的所有东西。关键的差异是存储器和处理器，它们非常紧密地结合在一起。这些芯片并行计算的规模可以用‘庞大’形容。”

2009年，IBM宣布他们成功利用一台超级计算机模拟猫的大脑皮层。大脑皮层是进行思考和逻辑推理的部位。模拟猫的大脑皮层和研制新型芯片属于同一项研究计划。借助于性能更卓越的超级计算机，IBM曾于2006年成功模拟老鼠大脑40%的区域，2007年成功模拟整个老鼠大脑，2009年成功模拟人脑大脑皮层1%的区域。

大脑芯片的动物实验

美国生物学家吉尔˙阿特马（Jelle Atema）于2006年完成了一项令人瞠目结舌的实验——将一条角鲨脑中植入一个电子元件，以影响鲨鱼的行为。

当吉尔˙阿特马操纵遥控器时，鲨鱼仿佛闻到了某种根本不存在的气味。例如，按下“右”键，鲨鱼大脑中通常处理右鼻孔嗅觉信息的区域就会受到电流刺激，鲨鱼就像真的闻到右边有诱人的食物一样，其大脑灰质细胞开始运作，并向自己发出吃饭的指令。于是鲨鱼便真的向右边游去。但吉尔˙阿特马也指出，目前自己还不能完全控制鲨鱼的大脑，只能控制鲨鱼的左右转。

约翰˙查平(John Chapin)也在老鼠身上完成了类似的实验。

1920年，生物学家沃特˙ 赫斯(Walter Hess)用电流刺激猫的大脑，成功的将一只原本温顺的猫变得凶狠好斗。

1950年，大脑专家胡塞 ˙德尔加多（Jose Delgado）依靠一部记录他自己斗牛场面的影片一举成名。在片中，一头公牛奋力向他冲去，在几乎被牛顶翻之际，他启动遥控器……公牛突然出现一副恐惧的样子，掉头而去。

人脑芯片

首例人脑芯片出现在1950年，胡塞 ˙戴尔卡多尝试在人类身上进行此项操作：通过轻微刺激人脑的某一部分而改变人的情绪，甚至控制人的一条胳膊或腿。最终这项实验因为有悖伦理而终止。

但从此之后，用电流刺激大脑的方法被证实可以用来治疗某些疾病。例如，始于30多年前的人工耳蜗植入术可以令一些失聪的人恢复部分听力。

目前，这一领域的研究又重新成为热点。有些科学家甚至设想通过一些装置，使人得以依靠思维控制机器的运行。已经有一些瘫痪病人利用植入脑中的电极，成功地做到这点。

最新进展

日前，由瑞士、德国和美国的科学家组成的研究小组首次成功研发出一种新奇的微芯片，能够实时模拟人类大脑处理信息的过程。这项新成果将有助于科学家们制造出能同周围环境实时交互的认知系统，为神经网络计算机和高智能机器人的研制提供强有力的技术支撑。

以前的类似研究都局限于在传统计算机上研制神经网络模型或在超级计算机上模拟复杂的神经网络，而新研究的思路是：研发在大小、处理速度和能耗方面都可与真实大脑相媲美的电路。研究小组成员基尔克莫·因迪韦里表示：“我们的目标是直接在微芯片上模拟生物神经元和突触的属性。”

做到这一点面临的主要挑战，是配置由人造神经元组成的网络，让其能执行特定的任务。研究小组现在已经成功地攻克了这一“碉堡”，他们研发出一种被称为“神经形态芯片”(neuromorphic chips)的装置，能够实时执行复杂的感觉运动任务，并借助这一装置，演示了一个需要短期记忆力和依赖语境的决策能力的任务，这是认知测试所必需的典型特征。

研究小组把神经形态神经元与利用神经处理模块——相当于所谓“有限自动机”的网络相结合。有限自动机是一个用来描述逻辑过程和计算机程序的数学概念。行为可以表示为有限自动机，由此以自动化的方式转给神经形态硬件。因迪韦里说：“网络连接模式非常类似于在大脑中发现的结构。”

由于神经形态芯片可以实时处理输入的信息并作出回应，有关专家认为这项技术将有望走向实用化，从而允许机器人在复杂环境中，在不受人类远程遥控的情况下实现自动作业。

这项技术的采用还将有望在未来让计算机能够在有部件损坏的情况下继续运作，就像人类的大脑那样，每天损失数以百万计的脑细胞，但是其整体的思维能力却仍然继续正常运转。

欧盟、美国和瑞士目前正在紧锣密鼓地研制模拟大脑处理信息的神经网络计算机，希望通过模拟生物神经元复制人工智能系统。这种新型计算机的“大脑芯片”迥异于传统计算机的“大脑芯片”。它能运用类似人脑的神经计算法，低能耗和容错性强是其最大优点，较之传统数字计算机，它的智能性会更强，在认知学习、自动组织、对模糊信息的综合处理等方面也将前进一大步。

不过也有人表示了担忧：装上这种芯片的机器人将来是否会在智能上超越人类，甚至会对人类造成威胁？

不少科学家认为，这类担心是完全没有必要的。就智能而言，目前机器人的智商相当于4岁儿童的智商，而机器人的“常识”比起正常成年人就差得更远了。美国科学家罗伯特·斯隆日前说：“我们距离能够以8岁儿童的能力回答复杂问题的、具有常识的人工智能程序仍然很遥远。”日本科学家广濑茂男也认为：即使机器人将来具有常识并能进行自我复制，也不可能对人类造成威胁。值得一提的是，中国科学家周海中在1990年发表的《论机器人》一文中指出：机器人并非无所不能；它在工作强度、运算速度和记忆功能方面可以超越人类，但在意识、推理等方面不可能超越人类。另外，机器人会越来越“聪明”，但只能按照制定的原则纲领行动，服务人类、造福人类。（作者系德国慕尼黑大学博士后）

美国纽约一瘫痪男子在接受大脑植入芯片的手术后，逐渐恢复了手部的触觉和运动。当地时间7月28日，这名男子召开新闻发布会，向公众讲述了他的经历。2020年，托马斯在朋友家泳池跳水时撞到池底，导致胸部以下完全瘫痪。2023年，托马斯接受了AI微晶片植入手术，将5个微晶片植入大脑——其中2个在大脑中负责运动功能的区域，另外3个在感觉区。装置通过AI算法读取托马斯的脑电波、将其意念转化为行动，比如移动手指。这种被称为“双神经搭桥”的技术绕过了神经受损部位，重新搭建起大脑和身体的信号传输。该技术也会根据患者的脑波模式，刺激患者肌肉、大脑和脊髓，促进患者运动和感觉的持久恢复。报道称，术后仅几个月，托马斯开始能感觉到家人的触摸并能慢慢活动手臂。目前，研究团队的目标是让托马斯恢复更多运动能力和感觉，托马斯也希望能在没有帮助下操作电动轮椅。

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