中国脑计划颠覆性创新之路（中）

刘锋

人工智能学家（ID：AItists）

四、用脑科学预测互联网的未来发展趋势

【前言】本文从脑科学的角度对互联网，人工智能涌现出来的近20多个概念进行梳理，试图寻找它们内在的潜藏关系，并由此绘制了互联网沿着脑科学的路径如何进化到终点的11幅示意图  

 当时间的快车越过21世纪第一个十年，令人眼花缭乱的新技术，新模式，新概念，新理论，新架构层出不穷，包括云计算，大数据，人工智能，云机器人，脑计划，智能驾驶，无人飞机，3D打印，虚拟现实等等不断涌现。

在互联网时代，这些新概念与互联网究竟是什么关系？互联网的未来发展趋势究竟在这喧嚣纷杂的现象中如何突破？我们在前文提到的脑科学对于互联网的未来究竟有什么参考价值和意义？本文从脑科学的角度对互联网，人工智能涌现出来的20多个概念进行梳理，试图寻找它们内在的潜藏关系。并由此绘制了互联网沿着脑科学的路径如何进化到终点的11幅示意图  

从2005年开始的互联网与脑科学交叉研究提出：“互联网将从一个分裂的，不成熟的组织结构向着与人类大脑高度相似的方向进化，它将具备自己的视觉、听觉、触觉、运动神经系统，也会拥有自己的记忆神经系统、中枢神经系统、自主神经系统。”，当互联网进化的成熟阶段时，所形成的结构图如下：

如果用这个架构分析物联网，云计算，大数据，人工智能（深度学习），工业4.0，工业互联网，无人机，智能驾驶，虚拟现实，可以得到如下结论。

1.物联网是互联网大脑的感觉神经系统萌芽

2005年11月国际电信联盟（ITU）发布了题为《 ITU Internet reports 2005-the Internet of things 》的报告，正式提出了物联网（Internet of things,IOT）一词，这一报告虽然没有对物联网做出明确的定义，但从功能角度，ITU认为“世界上所有的物体都可以通过因特网主动进行信息交换，实现任何时刻、任何地点、任何物体之间的互联、无所不在的网络和无所不在的计算”；从技术角度，ITU认为“物联网涉及射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术和智能技术等“。

因为物联网重点突出了传感器感知的概念，同时它也具备网络线路传输，信息存储和处理，行业应用接口等功能。而且也往往与互联网共用服务器，网络线路和应用接口，使人与人（Human ti Human ,H2H），人与物（Human to thing，H2T）、物与物（ Thing to Thing,T2T）之间的交流变成可能，最终将使人类社会、信息空间和物理世界（人?机?物）融为一体

2.云计算是互联网大脑的中枢神经系统萌芽

2007年 10月IBM和 Google宣布在云计算领域的合作后, 云计算迅速成为产业界和学术界研究的热点。。云计算的诞生有其历史根源，随着互联网的发展，互联网新兴的应用的数据存储量越来越大，互联网业务增长也越来越快。因此互联网企业的软硬件维护成本不断增加，成为很多企业的沉重负担。与此同时，互联网超大型企业如Google，IBM,亚马逊的软硬件资源有大量空余，得不到充分利用，在这种情况下，互联网从企业各自为战的软硬件建设向集中式的云计算转换也就成为互联网发展的必然。

在互联网虚拟大脑的架构中，，互联网虚拟大脑的中枢神经系统是将互联网的核心硬件层，核心软件层和互联网信息层统一起来为互联网各虚拟神经系统提供支持和服务，从定义上看，云计算与互联网虚拟大脑中枢神经系统的特征非常吻合。在理想状态下，物联网的传感器和互联网的使用者通过网络线路和计算机终端与云计算进行交互，向云计算提供数据，接受云计算提供的服务。

3.大数据与人工智能的结合是互联网智能，智慧和意识产生的基础

随着博客、社交网络、以及云计算、物联网等技术的兴起，互联网上数据信息正以前所未有的速度增长和累积。互联网用户的互动，企业和政府的信息发布，物联网传感器感应的实时信息每时每刻都在产生大量的结构化和非结构化数据，这些数据分散在整个互联网网络体系内，体量极其巨大。这些数据中蕴含了对经济，科技，教育等等领域非常宝贵的信息。这就是互联网大数据兴起的根源和背景。

与此同时，深度学习为代表的机器学习算法在互联网领域的广泛使用，使得互联网大数据开始与人工智能进行更为深入的结合，这其中就包括在大数据和人工智能领域领先的世界级公司，如百度，谷歌，微软等。2011年谷歌开始将“深度学习”运用在自己的大数据处理上，互联网大数据与人工智能的结合为互联网大脑的智慧和意识产生奠定了基础。

4.工业4.0，工业互联网，无人机，智能驾驶，3D本质上是互联网运动神经系统的发育和萌芽，

互联网中枢神经系统也就是云计算中的软件系统控制工业企业的生产设备，家庭的家用设备，办公室的办公设备，通过智能化，3D打印，无线传感等技术使的机械设备成为互联网大脑改造世界的工具。同时这些智能制造和智能设备也源源不断向互联网大脑反馈大数据数，供互联网中枢神经系统决策使用。在这个过程中工业4.0，工业互联网，无人机，智能驾驶，3D打印等等技术和应用正是互联网运动神经系统的发育产物和萌芽产品。

5.社交网络是互联网大脑神经网络的基础，也是互联网商业竞争的核心

当物联网与社交网络融合时，每一栋大楼，每一辆汽车，每一个景区，每一个商场，每一个电器都会在SNS网站上开设账号（如微博，如facebook)，自动的发布自己实时的信息，并与其他”人“，和“物”进行交互.社交网络的定义将不再仅仅是人与人的社交，而是人与人，人与物，物与物的范围更大的社交网络.我们可以称为“大社交网络”-BIG Social Networking Services （Big SNS).

在前文中提到互联网正在向与人脑高度相似的方向进化。它将具备自己的感觉神经系统，运动神经系统，中枢神经系统，物联网和云计算正是这些系统的萌芽，而社交网络中的个人空间正是互联网虚拟大脑的神经元，这些神经元不但通过手机，台式机，笔记本电脑与互联网用户进行信息交互，也必然会与互联网的感觉，运动神经系统接驳，形成完整的互联网神经元结构。这一进化趋势导致社交网络必然会发展成为人与人，人与物，物与物交互的大社交网络。

在脑科学中神经元和神经网络是最重要和最基础的结构，因此对于不断发育的互联网大脑来说，如何占据互联网的神经网络控制权也成为互联网巨头面临的最重要问题。目前中国的腾讯和美国的Facebook占据了互联网未来竞争的有利地位。

6.互联网时代的虚拟现实是互联网梦境系统的萌芽

   数以亿万计的数据正在世界各个角落被互联网大脑的触角不断捕捉和吸收，社交、搜索，所有看似微不足道的信息都在源源不断充实着互联网大脑，组成巨大的数据库。这些数据通过二进制代码在机器间交互，目前通过文字，图片，声音，视频在互联网与人类之间交互，这种交互的方式进行升级，使得人类以更为真实的感受体验互联网内容的数据，这就催生了VR技术与互联网的结合。如果让人类以更为真实的感受体验互联网数据与真实世界叠加，这就催生了AR技术与互联网大数据的结合。无论是facebook对oculus的并购，还是腾讯，阿里巴巴对虚拟现实的投资，这一轮虚拟现实的热潮同样是互联网企业的推动，是互联网发展到更高阶段的必然现象。

随着互联网大脑的日臻成熟，虚拟现实技术开始进入到一个全新的时期，与传统虚拟现实不同，它要么是互联网虚拟图像与现实场景的叠加（AR），要么是完全沉浸到互联网三维图像化的大数据中（VR)。并且它开始与大数据、人工智能结合得更加紧密，以庞大的数据量为基础，让人工智能服务于虚拟现实技术，使人们在其中获得真实感和交互感，让人类大脑产生错觉，将视觉、听觉、嗅觉、运动等神经感觉与互联网梦境系统相互作用，在清醒的状态下产生梦境感（Real dream)。这个革命性的全新时期，我们可以称之为互联网梦境系统的萌芽（The Internet Dream Age）。

7.互联网未来发展方向与互联网+

从互联网进化的角度看，互联网将从三个维度单调递增进化，这也可以作为对互联网+概念的解读：

第一，从空间上，互联网的范围从实验室扩张到全球并最终扩张到整个宇宙，形成智慧宇宙或宇宙大脑 。

第二，从智慧上，互联网的智商将从0增长到全人类群体智慧的乘方甚至是立方，这个过程中互联网的群体智慧和机器智慧将发生化学反应，形成共振，相互促进。

第三，从功能和结构上，互联网将割裂，不完整，不完善的网络进化成与人类大脑高度相似的互联网虚拟大脑，同时互联网的神经系统将用自己的神经系统和神经末梢不断侵入到人类社会的方方面面中，学习，娱乐，交通，工业，农业。。。。。

这个过程也可以看做互联网从广度、深度侵蚀现实世界的动态过程。可以用如下11幅图反应互联网的进化趋势与未来方向。

五、用互联网从整体论角度破解大脑之谜

1.从整体论角度研究脑科学一直是薄弱环节

我们在前文中曾经阐述：千百年来，脑科学的一个重问题就是：还原论与整体论整合困难的问题，历史上，神经科学家研究大脑之谜主要采用了两条截然不同的思想线路：还原论和整体论。还原论又被称为自下而上的研究方法。该方法试图通过研究单个分子、细胞或回路等神经系统的基础元素的特性来理解神经系统。整体论又被称为自上而下的研究策略。它主要是从研究功能入手来理解神经系统，该方法主要关心的方面是系统的活动如何调节或是反映在行为上

从文艺复兴到现在，人类对神智与脑关系的认识虽已取得多方面的重大进展，然而困惑依旧存在，主要集中于两点，一是整体论如何与还原论相整合，二是主观的神智现象如何用客观方法来研究。

整体论与还原论的整合，怎样在研究中使整体论与还原论平衡并相互补充，还远未得到解决。虽然整体论方向，脑科学取得了诸如大脑皮层功能分区，系统性理解感知的形成机理等成果，但迄今为止脑科学研究中还原论思想过多占据了主导位置，在一系列问题上突出地显露出当前神经科学的局限性。

人类研究大脑的功能结构的困难，还体现在复杂精密的活体大脑很难通过直接解剖或磁共振扫描发现其结构与外在功能的一一对应。

二. 从互联网角度研究脑科学的理论研究

过去十年的研究观点指出：在互联网向着与人类大脑高度相似的方向进化的同时，另一方面，人脑至少在数万年以前就已经进化出所有的互联网功能，不断发展的互联网将帮助神经学科学家揭开大脑的秘密。科学实验将证明大脑中也经拥有Google一样的搜索引擎，Facebook一样的SNS系统，IPv4一样的地址编码系统，思科一样的路由系统。。。“

2010年在“复杂系统与复杂性科学”网络科学专刊的一篇论文“互联网与神经学的交叉对比研究” 提到13个互联网与人脑结构的对比应用：

该论文提出应该从神经心理学和神经生理学等层面进行研究，一方面提炼和总结互联网相关应用的运行特征，以此为启发和索引，设计神经心理学和神经生理学实验，在人脑或其他生物大脑中寻找对应结构，相对应，这篇论文重点阐述了4个方向的大脑类互联网现象的试验问题。

2.1 人脑中类搜索引擎应用

搜索引擎(search engine)是指根据一定的策略、运用特定的计算机程序搜集互联网上的信息，在对信息进行组织和处理后，并将处理后的信息显示给用户，是为用户提供检索服务的系统。目前互联网使用最为广泛的是Google（英文）和baidu(中文)。主要工作原理有三个环节。第一，每个独立的搜索引擎都有自己的网页抓取程序（spider）。Spider顺着网页中的超链接，连续地抓取网页。由于互联网中超链接的应用很普遍，理论上，从一定范围的网页出发，就能搜集到绝大多数的网页。第二，搜索引擎抓到网页后，还要做大量的预处理工作，才能提供检索服务。其中，最重要的就是提取关键词，建立索引文件。第三，用户输入关键词进行检索，搜索引擎从索引数据库中找到匹配该关键词的网页[9]。

根据搜索引擎的工作原理，我们可以设计如下神经心理学层面的实验。第一．准备10张志愿者照片，实验参与者逐次查看照片。第二．实验者处于实验房间内静默思考。第三，分别让在10张照片内的一名志愿者和不在10张照片内的一名志愿者进入实验房间，让实验参与者辨认是否是10张照片出现过的人。

如果试验参与者能够直接辨识或通过重复上述过程辨识志愿者是否为照片中出现的人，则说明该实验者大脑中存在扫描信息，索引信息，检索信息的类搜索引擎功能，当试验者数目不断增加，而完成上述功能的试验者比例超过95%，则可以证明人脑中存在类搜索引擎功能。

2.2 人脑中的类维基百科应用

维基百科是一个自由、免费、内容开放的互联网百科全书协作计划，参与者来自世界各地。这个站点使用Wiki，任何人都可以编辑维基百科中的任何文章及条目。从技术的角度看维基百科起源于1983年诞生的电子公告牌功能，传统上在BBS中，只有文章的发布者或管理员能够修改文章内容，维基百科对这一功能进行了创新，它允许每一个访问者（或者必须是维基百科的注册用户）可以对一个词条的内容进行修改，无论这个词条的内容是谁创建和发布的。

维基百科应用的工作原理和工作流程是这样的，用户A创建词条abc，并撰写abc的解释和说明文字，形成版本1。用户B看到词条abc和它的说明文字，认为解释不完整或者有错误，于是用户B在用户A文字的基础上进行修改，形成版本2。，不断有用户进行修改，abc的版本号不断增加。在修改的过程中，如果一个用户发现最新的版本整体质量不如前面的版本，则他可以将前面的版本置为最新版本。虽然有国界，信仰，情绪，知识范围的不同，会产生修改意见的争执。但总体上看，维基百科的工作流程还是会使各词条的说明质量不断提高。

根据维基百科的工作原理，我们可以在神经心理学层面设计如下实验。参与实验者A和志愿者B最初共同处于一个实验房间内，要求参与实验者A观察志愿者B衣服的颜色，然后志愿者B离开房间，实验者A纪录B的衣服颜色，B更换不同颜色服装进入实验室，重复上述过程5次，在五次试验结束后，收回A填写的纪录表，更换同样内容的新表，请A回忆B从第一次到最后一次穿着颜色并按顺序重新纪录

如果参与者A能够完成上述过程并正确纪录B不断更新的颜色，则说明A根据一个物体的变化，不断更新该物体属性的说明和纪录，并保留原有属性的纪录，而这恰恰是维基百科的运行原理。通过对大量人员的测试，如果95%（色盲导致的错误除外）的试验者能够完成实验，则说明人脑大脑存在类维基百科的应用是成立的。

2.3 人脑中的类ip地址应用

目前的全球因特网所采用的协议族是TCP/IP协议族。IP是TCP/IP协议族中网络层的协议，是TCP/IP协议族的核心协议。目前IP协议的版本号是4(简称为IPv4)，发展至今已经使用了30多年。 IPv4的地址位数为32位，也就是可以为连接到Internet上的设备提供2^32-1个地址。随着互联网的蓬勃发展，IP位址的需求量愈来愈大，使得IP位址的发放愈趋严格。

IPv6是下一版本的互联网协议，也可以说是下一代互联网的协议，它的提出最初是因为随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。IPv6采用128位地址长度，可以为互联网中的设备提供2^128-1个地址。

  检验在人脑中是否存在类ipv4/ipv6的应用，这个地址编码系统究竟是存在于神经元层面，或者人脑中的记忆信息层面，这是一个深入涉及神经生理学的实验设计，已经超出了本文作者的知识范围，但是本文作者提供了ipv4/ipv6的设计原理，希望能作为神经生理学家设计相关实验的参考，需要回答的有两个问题第一，在人脑的哪个结构层面会出现类ipv4/ipv6应用。第二，互联网的地址编码系统正在经历从ipv4/向ipv6进化的阶段，那么在生物大脑进化的过程中，是否也出现过类似的地址编码扩充现象。

2.4人脑中的类路由器功能应用

工作在OSI参考模型第三层——网络层的数据包转发设备。路由器通过转发数据包来实现网络互连，路由器工作包含两个基本的动作：第一，根据维护的路由表确定最佳路径，第二，通过网络传输信息路由器。

具体工作流程如下路由器的某一个接口接收到一个数据包时，会查看包中的目标网络地址以判断该包的目的地址在当前的路由表中是否存在。如果发现包的目标地址与本路由器的某个接口所连接的网络地址相同，就将数据转发到相应接口；如果发现包的目标地址不是自己的直连网段，路由器会查看自己的路由表，查找包的目的网络所对应的接口，并从相应的接口转发出去；如果路由表中记录的网络地址与包的目标地址不匹配，则根据路由器配置转发到默认接口，在没有配置默认接口的情况下会给用户返回目标地址不可达的信息。

正是因为互联网存在大量的路由器，以及它们维护的路由表，因此互联网出现一个在它诞生之初就有的特性具备的特性，当局部的网络出现故障无法进行通讯时，数据包或信息流可以通过互联网的其他路经绕行，从起点传达给终点。

六. 6年以来用互联网破解大脑之谜的科学进展

3.1 人类大脑中的搜索引擎问题

2010年3月24，在中国科学院研究生院的互联网公开课上完成人脑中是否搜索引擎的实验测试。在这次课上科学院来自各院所近50名硕士研究参与并完成测试。实验结果首先发布在2011年8月16日科学院网站智慧火花栏目和2012年互联网进化论一书中。

实验方案如下，第一，使用PPT向参与测试的人员展示5个词汇 ，分别为新浪，搜狐，网易，凤凰网，新华网，第二，展示时间为3分钟，供测试人员查看和记忆，第三，向测试的人员提问，分别询问8个词汇是否在刚才的PPT中出现并在问卷中标志，这8个词汇分别是; 阿里巴巴，盛大，搜狐，新浪，开心网，凤凰网，腾讯，网易。经测试，测试人员回答正确率为98%。

然后在科学网的博客网页开始搜索引擎的实验过程。第一，同样在该网页内放置新浪，搜狐，网易，凤凰网，新华网，附加字符串“%redft098&876hfgt65%”表明该页面在互联网中是独一无二的，第二，发布30分钟后，百度和谷歌的网络蜘蛛查看该页面并收录到其数据库中 第三，向百度和谷歌两个搜索引擎提问（输入关键词），分别查询8个词汇是否在刚才的网页中出现并做记录，这8个词汇分别是; 阿里巴巴，盛大，搜狐，新浪，开心网，凤凰网，腾讯，网易。经测试，百度和谷歌回答正确率为100%。

3.2 人类大脑中的网络路由问题

2010年8月美国南加州大学神经系统科学家拉里·斯旺森和理查德·汤普森在《国家科学院院刊》（PNAS）发表论文用互联网路由机制解释老鼠大脑的信号如何绕过破坏区域到达目标区域。这一研究作为一个实验，证明人脑中的确存在类互联网应用。

斯旺森说，大脑中互联网式结构的存在可以解释大脑能克服局部损伤的现象，你可以拿掉互联网任何一个单独部分，但网络其他部分照常工作，神经系统同样，没法说某一部分绝对不可或缺。斯旺森表示，眼下至少在老鼠大脑伏核发现不同以往认为的神经系统结构，今后可以用这次研究中使用的示踪法观察其他部位，最终绘出整个大脑神经网络图。

3.3 互联网与脑科学数学模拟相关性研究

2012年11月16日，加州大学圣迭戈分校DmitriKrioukov在2012年11月的《ScientificReport》发表论文提出利用计算机模拟并结合多种其他计算，提出许多复杂网络如互联网、社交网、脑神经网络等有高度的相似性。这个论文的研究从数学模拟的角度印证了2010年“复杂系统与复杂性科学”网络科学专刊的一篇论文“互联网与神经学的交叉对比研究”所阐述的论点。

3.4 大脑中的类社交网络问题

大脑中的神经元像一个社会网络一样连接在一起。每个神经细胞都与许多其他的神经细胞相连接，但只有少数彼此非常相似的细胞之间会建立最强有力的联系。这些研究结果发布在2015年2月4日的《自然》(Nature)杂志上。

该研究小组的领导者Thomas  Mrsic-Flogel教授说：“神经细胞形成了一个称作为突触的、令人困惑的连接网络——每个神经细胞有多达几千突触。然而并非所有的突触连接都是相同的。绝大多数的都是微弱连接，细胞只生成了非常少的一些强有力的连接。该研究小组的领导者Thomas  Mrsic-Flogel教授说：“我们想知道，是否有一些规则可以解释在由数百万神经元所构成的复杂的网络中神经元之间的连接机制。结果表明其中一个规则非常简单。即志同道合则强有力地连接，彼此行为极其不同的神经元则微弱连接或根本不连接。”

互联网为代表的整体论与脑科学还原论的结合

我们在前文中提到：科技的发展为人类从整体论带来一个非常宝贵的参照系，从科技发展史看，一个原本异常复杂的难题，在经过科技发展的足够程度后，也许会诞生出一个异常简单的解。

利用互联网这面镜子作为脑整体论研究的突破点。结合脑还原论的细节研究（如分子神经生物学、细胞神经生物学、系统神经生物学、行为神经生物学、发育神经生物学、比较神经生物学等），会为脑科学的突破带来重大机遇。

回到美国哥伦比亚大学神经学家拉斐尔•尤斯特的那个比喻，没有参照物，我们无法用像素了解整个画面，但如果互联网与脑科学的交叉研究为我们从另外一个方向制作了一个高度类似模型（虽然它还在变动中），那我们就很容易知道这个像素在图像中的位置和起到的作用。如下图所示，A图是人类大脑全景图，B是由于客观原因人类能观察到的大脑功能结构，C是互联网进化中的结构，那么通过研究和观察C，人类就可以从B推导出A的全貌。

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