解析人腦奧祕 尚待洪荒之力

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編譯/潘楠慕
意外事故、非常規手術、疾病、基因突變都是讓人遺憾的狀況,另一方面,這也是科學家得以更深入了解大腦各部位如何運作的契機。
科學家迄今仍無法全面理解大腦,尤其是更高階的功能,如記憶、決策、創造力、意識等,和大腦的關聯仍無法獲得令人滿意的解釋。也因此,異常大腦如同為研究正常大腦的奧祕,開啟了一扇窗口。
一八四八年時,蓋吉(Phineas Gage)被金屬棒由前方刺入腦部,雖然幸未喪命,但他的性格發生巨大轉變,從原本開朗友好變為粗魯無禮。這個狀況,讓研究人員了解,人類的性格與大腦前部區域緊密相關。
以罕見遺傳疾病「 發展性地形定向障礙」(DTD)為例,罹患這種疾病的患者會完全迷失方向。經過多年研究,科學家發現,這是因為患者失去了在腦內繪製環境地圖的能力。倫敦大學神經科學家歐奇夫(John O’Keefe)針對這個疾病,以老鼠進行實驗,在老鼠腦部海馬區置入電極,記錄探索環境時腦部電流活動的變化。
藉此,歐奇夫發現腦部的「位置細胞」,這些細胞只有在處於特定位置時才會活動,並與其他細胞互動,例如負責頭部轉動的細胞。此外,大腦還有一個區域,功能是把地標納入腦中地圖。
還有一些人擁有驚人的記憶,對過去每一天的情景都記得清清楚楚。爾灣加州大學(University of California, Irvine)的麥高(James McGaugh)博士在二○○一年發現這種大腦特異現象,也隨即進行研究。
對於記憶的普遍共識是,記憶儲存在突觸(神經元間隙)上。麥高透過對這種特殊記憶者的研究,發現他們雖能清楚記得過去發生的生活細節,對其他領域的記憶力卻不強,例如記住一串數字。麥高博士將這種癥狀稱為「超強自我記憶症」(HSAM),並掃描患者大腦,發現這些人腦部的尾狀核和殼核都擴大。這兩個區域都與強迫症有關,也因此得出結論,這些人的異常狀況,並不是因為他們形成記憶的能力強大,而是他們因為強迫症,持續回想過去,意外地強化了記憶。
這項研究,也讓科學家發現,可以透過特定的技巧增強記憶力。科學家還透過記憶力較強和普通者的比較,觀察大腦活動變化,發現人腦更傾向以圖像的形式,依照順序進行儲存。記憶力強的大腦,在記憶時優先使用負責導航和空間感知的區域,這就是所謂的圖像式記憶技巧。
「感覺」也是人腦研究時相當玄妙且奧祕的領域,有些人見到別人的動作,自己就能產生同樣的反應。經過對大腦的探測,研究人員發現這是因為鏡像神經元的作用,也發現大腦中央的一個褶皺「腦島」可以整合內在感受的資訊,這種能力較強的人,通常更富同理心,更善於一心多用,更善於做決定。
倫敦大學皇家霍洛威分校(Royal Holloway, University of London)的安麗(Vivien Ainley)表示,如果透過訓練,讓大腦注意力從外部世界通過腦島轉移到內部世界,有可能提升內在感受力。
現今已出現許多大腦訓練應用程式和提高腦力的藥物,宣稱可輕鬆提升大腦功能。這些方法或藥物是否有效仍待檢驗,徹底解析人腦的運作模式,可能仍需一段漫長時日。但可以確定的是,一些特異的狀況,不管是先天或後天,都可能是解開人類大腦奧祕的機會。
複製人腦 不再是紙上談兵
人腦複製,過去只是科幻小說的題材;但隨著機器人和人工智慧(AI)技術的持續突破,一項帶有爭議性的話題已逐漸引起關切:AI是否能複製人腦?
現在擁有的技術,是否能夠做到如同存在於動物或人類身上的智慧?支持者認為,透過「深度學習」,AI技術已大幅提升。所謂「深度」,是指人工神經網路中,人工神經元的層數,具備更多層神經元的人工神經系統,也能夠進行更複雜的學習。也就是說,假以時日,AI有機會複製人類大腦的運作模式。
然而,另一派人士指出,深度學習系統與人類的大腦不同,不太可能完成人類大腦可完成的所有任務,因為這些網路並不像真正的生物可以理解這個世界,並且容易被混淆。優步科技公司(Uber)AI部門前負責人、現任紐約大學教授的馬庫斯等研究人員認為,深度學習的能力,並不足以獲得「一般智力」。
儘管目前的技術仍有限制,但多數研究人員認同,其他類型的人工神經網路,未來在某些情況下,有可能賦予知識,如同生物的本能。
這個結論,也產生另一項涉及道德的議題。一旦AI發展至如同人腦,除了強大功能,是否也能複製人類的記憶?
俄羅斯網路大亨伊茲科夫(Dmitry Itskov)曾號召生物學、神經學、機器人和人工智慧專家,舉辦「全球未來二○四五論壇」,目標是在二○三○年建構出人造大腦,在二○四五年將人類意識移轉到機器人身上。
科學家指出,這種可能性或許存在,但如果大腦中的意識與記憶能夠像電腦程式一樣下載、儲存甚至編輯,對人類社會將產生難以想像的巨大衝擊。臉書的AI部門主管也指出,執著於仿效真人,反而可能妨礙AI的發展,朝著解決腦部疾病和提高人類效率的領域發展,才是較實際且避免爭議的方向。
深度圖像重建
解碼人類腦波
日本京都大學神谷研究室去年底公布人工智慧(AI)研究結果,開發出讓AI「解碼」人類腦波的新技術。研究團隊設計的AI在讀取人的腦波後,能創造出相應但較模糊的影像,稱為「深度圖像重建」(deep image reconstruction)。
神谷之康(Yukiyasu Kamitani)教授表示,該團隊研究如何透過觀察人的大腦活動,來重建影像的方法。人類大腦處理視覺訊息的方式,是分層次的提取不同等級的特徵,或是不同複雜程度的組成部分。
在深度圖像重建的演算法中,AI根據腦波解碼中讀取到的特徵,逐漸改變像素值。除了深度神經網路(DNN)和機器學習領域的圖像生成技術,還運用深度生成網路(DGN)使圖片看起來更自然。
研究人員針對自然景象、人造幾何形狀和字母進行測試。受測者觀看圖片和回想所見的圖片時,電腦對腦波進行掃描。測試結果顯示,即使人類腦部只是回憶圖片,深度圖像重建AI也能建構出圖片,但相關分析也必須花更長時間。
AI透過持續猜測腦波數據對應的形象化,從眾多的數據中不斷學習。更明確來說,深度圖像重建的AI並不能真正「看見」人的思想,但它能夠區分人腦在想像時,腦波的模樣。目前,深度圖像重建AI讀取的效果仍十分有限,但隨著精確度不斷改良,其潛在應用價值非常值得期待。
運用這種技術,未來或許只要透過想像,就可繪畫或製作藝術,甚至連夢境也可能形象化。對於一些飽受幻覺困擾的患者來說,或許可藉此獲得更多協助。
神谷之康教授並指出,隨著AI技術和介面發展,有朝一日,或許純粹透過意念和想像的溝通將有望實現,也就是不需動口,便可把意念傳達給對方的「心靈溝通」。

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