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人类大脑如何运作的奥秘一直让科学家们忙碌不已。一直以来，人们都在尝试模仿人脑。人脑计划就是这样的尝试之一。科学家现在处于什么阶段？有成功的案例吗？
人脑是我们所知道的最神秘的生物计算机。事实上，尽管几个世纪以来科学家们试图以更加复杂的方式来了解它，但我们对它的了解还不够。只有最新的技术才能给我们带来以前只能猜测的真实知识。这并不能改变我们还远没有完全理解它的事实。现代科学家到底在哪里？
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“人工智能”一词
1950世纪1955年代，当“人工智能”一词首次出现在科学界，人工智能研究人员成功证明你可以教机器做你自己做不到的事情时，他们对此感到兴奋。机器可以学习、自行证明数学定理（例如，艾伦·纽厄尔和赫伯特·西蒙于 年开发的逻辑理论家程序就是这样做的），或者下跳棋并击败人类（来自 年的程序）亚瑟·塞缪尔（Arthur Samuel，IBM 工程师，后来成为斯坦福大学教授）让科学界相信，完全模拟人脑只需几年时间。
从那时起已经过去了几十年，尽管计算能力有了巨大的提高，人工神经网络和具有深度机器学习的人工智能算法的发展，我们仍然距离模拟大脑碎片还很远。简而言之，20 世纪下半叶的人工智能先驱们严重低估了海龟体内 90% 是水的“果冻状物质”的能力。
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大脑很复杂
出生时，人脑的重量约为 300 克。一个完全发育的成人大脑重约1.5公斤。这1.5公斤包含了我们的整个宇宙和我们拥有的所有心智能力。不仅是有意识的，如抽象思维、创造力，还有我们没有意识到的：运动、循环系统的控制、呼吸等等。
科学家们普遍认为，人脑由大约 100 亿个神经元组成。我们不知道它们的确切数量，而且每个人类个体的数量可能有所不同。但我们假设这是真的，而且这个数字并不小。 100 亿是很多，但现代超级计算机甚至可以模拟大型物体。然而，问题在于神经元比 3D 图形中的纹素、图像像素或任何其他仅用一小段代码即可描述的对象要复杂得多。
我们大脑的神经元是相互连接的。这些不是物理连接，因为单个神经元产生的电脉冲会迅速传播到整个身体，使其几乎无法发挥作用。我们大脑中的信息传输基于电（脉冲）和化学（神经递质）。每个神经元（请记住现在流行的神经元形象是具有特征树突的“树”）可以通过多达一万个突触连接与其他神经元连接。
同意，单个神经细胞的 10000 个连接比晶体管中的逻辑门复杂得多。如果我们尝试计算神经元之间所有可能连接的数量以及它们在任何给定时刻（仅一个）可以获得的状态，我们会得到一个巨大的数字，远高于整个可观测宇宙中原子的估计数量。使用这种方法，许多专门从事神经生物学的科学家以及具有计算机科学背景的科学家相信，即使以目前的知识水平及其预期的发展水平，完全模拟如此复杂的器官也是一项远远超出我们能力的任务。能力。但这并不意味着科学家什么也没做，也没有取得任何成果。让我们看一下一些旨在模拟人类思维的项目，即使不是整个人类思维，至少也是其中的一部分。
40分秒
2013年，日本冲绳工业大学的科学家和来自于利希研究中心的德国研究人员联手，使用了当时地球上最强大的超级计算机之一（即所谓的K Computer，500年Top2011排行榜的领先者） ）的处理能力为 8.16 PFLOPS（或每秒 8.16 万亿次浮点运算），尝试仅模拟大脑的一个片段。总之，模拟包括绘制 1.73 亿个神经元的工作情况，这些神经元共同创建了一个由 10.4 万亿个突触连接组成的网络。这比你头骨里的生物“果冻”的潜力略多一点。该模拟使用了 1 Sparc82944 VIIIfx 处理器的全部功能（一个系统的时钟速度为 64 GHz，有 2 个内核）。这个方法有效吗？
根据科学家的说法，是的，但另一方面。取决于你如何看待它。这台超级计算机大约 40 分钟的工作仅持续模拟了上述大脑神经网络片段的 1 秒工作。因此，虽然模拟完全完成，但可以说是成功的，因为效果、计算时间和建模量表明我们在这里面临着多么巨大的问题。而且我们必须记住，随着神经元数量的增加，突触网络的复杂性并不是线性增长，而是呈指数增长！即使使用美国橡树岭国家实验室最快的超级计算机 Frontier（处理能力为 1102 PFLOPS，即日本 K 计算机的 135 倍）来完成同样的任务，也不意味着 Frontier 能够模拟（使用相同的模型参数）大 135 倍的神经元网络。在美国超级计算机上，对 1.73 亿个神经元网络的真实世界操作进行同样的一秒模拟，需要不到 18 秒，而不是 40 分钟。但这仍然不仅仅是网络的实时模拟，而且只是我们头脑中的一小部分。模拟整个大脑的运作仍然属于科幻小说的范畴。但科学家们仍在尝试。
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欧洲人脑研究项目
人脑计划（HBP – 人脑计划）的范围和分配给该科学项目的资金可以与另一个与人类相关的项目进行比较，即著名的人类基因组计划，该计划从 1990 年持续到 2003 年。基因组，人脑计划旨在帮助科学家更好地了解我们的大脑。然而，自 2013 年开始运行的人脑项目原本预计在经过十年的研究后（即 2023 年）结束，但它甚至还没有接近对整个大脑进行建模。那么，科学家们计划通过这项研究实现什么目标呢？
HBP 的主要目标不是模拟整个大脑，因为我希望我们已经证明这项任务超出了我们当今文明的能力。目标是至少部分了解大脑的复杂性。这将有助于医学、计算机科学、神经科学等科学的发展，以及受我们思维运作方式启发的技术的发展。
HBP 项目的成果之一是创建了 EBRAINS 数字大脑研究平台。EBRAINS 是一个开源平台，允许来自世界各地的研究人员使用安全的数字工具 cloud 环境。换句话说，EBRAINS 为科学家提供了建模和分析各个大脑区域功能的工具。
其中一种工具是在 HBP 和 EBRAINS 下创建的虚拟大脑模拟程序。该工具根本无法模拟整个大脑，但它允许新药研究人员模拟它们对神经元组的影响。反过来，这将使科学家能够开发出可用于治疗阿尔茨海默氏症、抑郁症、帕金森氏症等复杂疾病的新疗法。
美国大脑计划
美国研究机构发起的一个更大、更新的项目是美国大脑计划（US BRAIN Initiative）。这是另一个为期多年、耗资数十亿美元的研究项目，旨在绘制人类连接组图。什么是连接体？它是给定有机体的一组神经连接。正如基因组是遗传回路的完整图谱，蛋白质组是给定生物体的蛋白质的完整图谱。我们已经了解人类基因组；它的发现花费了数十亿美元。如今，基因组测试已广泛应用，例如，针对缺陷的基因测试花费数百美元。完整基因组的成本略高，但仍比首次读取人类 DNA 的成本低几个数量级。
让我们回到连接组和美国 BRAIN 项目。这个项目的目标是什么？马里兰州贝塞斯达美国国家心理健康研究所所长乔什·戈登 (Josh Gordon) 表示：“了解所有类型的脑细胞、它们如何相互连接以及它们如何相互作用，将为我们开辟一套全新的疗法。连今天都不敢想象。”世界上最大的神经细胞类型目录正在创建和系统开发。这个目录被称为 BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN)，描述了大脑中有多少种不同的细胞类型、它们的比例、它们的空间分布以及它们之间发生的相互作用。
这种方法到底从何而来？来自了解大脑如何运作的需要。神经科学家克里斯托夫·科赫 (Christoph Koch) 在向《自然》杂志发表的一份声明中解释了这种方法的优点，他是西雅图艾伦脑科学研究所运行的 MindScope 项目的首席科学家：“就像没有元素周期表的化学中的任何事物都没有意义一样，在不了解单个细胞类型的存在和功能的情况下，理解大脑是有意义的。”
如果我们假设达到这样的技术潜力，我们可以逐个细胞地扫描，例如重建人脑，这种方法将意味着即使我们成功了（这在今天是不现实的），我们仍然无法理解为什么大脑按照它真正的方式工作。我们谈论的大脑是一个活的生物器官还是它的数字化、假设克隆的双胞胎，这并不重要。 BRAIN 和 BICCN 目录是了解每个神经回路的结构和操作的起点，因此也是了解拥有大脑等复杂器官的所有物种的复杂行为的起点。
研究正在进行中，科学家们不断在专门创建的网站上发布他们的新成果。所以我相信，更多有趣的发现很快就会在等着我们。
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