科学家即将揭示人类大脑神经网络结构的奥秘

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来源：今日头条

人类即将迎来了解大脑神经网络结构神秘世界的曙光！

哈佛大学神经科学家和谷歌工程师，发布了第一张人类大脑部分的神经网络连接图，大约针头大小的人类大脑组织用重金属染色，切成 5,000，并在电子显微镜下成像。虽然这立方毫米的组织仅占整个人类大脑的百万分之一。但是，描绘它的神经细胞、血管等大量数据量达到1.4 PB（计算机存储单位1.4 PB=1024TB）。

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神经元被涂上了不同的颜色来区分连接

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科研人员绘制的人类大脑皮层3D结构

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科研人员采用了5中颜色区分不同的突触

虽然仅仅是绘制了很小一部分大脑神经结构，但是对于神经医学的科研人员来说，“这就像发现了一个新大陆”，对于人类生命科学的进步也将意义非凡！

科研人员一直致力创建和研究一个完整的或部分大脑内所有神经连接的综合图。因为，大脑物质相关的所有神经活动都是通过神经连接完成的，它是了解人类如何思考、感觉、移动、记忆、感知等的关键核心。

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神经连接映射

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神经连接

人类有史以来创建的最详细和复杂的神经连接，这仅仅由一立方毫米的人类大脑皮层编译。

一、揭示人类复杂性的奥秘。

人类大脑共有 860 亿个神经元：690 亿个小脑，小脑是大脑后部的一个致密块，负责协调基本的身体功能和运动；160 亿在大脑皮层，负责我们最复杂的智力和才能，例如自我意识、语言、解决问题和抽象思维；另外10 亿在脑干及其延伸到大脑核心的部分。

人类大脑的每一个神经元都与其他神经元之间会有数十个至上千的连接，但并非每个连接都是重要的，因为在这个庞大的网络中神经元与其他神经元建立了数千个连接通常具有重叠替代功能。例如，这就是为什么有些人中风会导致数以千计的神经元消失而不会失去记忆。

人类大脑的神经元连接结构如此复杂， 860 亿个神经元，每一个神经元都与其他神经元之间会有数十个至上千的连接，甚至于神经元的连接也有可能拓展至量子领域，计算这种网络结构的复杂性已经不亚于天文学和量子力学的计算量，这也是人类大脑可以用无数种方式做事的根本原因。

但是，理论上人类的行为在生物学上是可以预测的，虽然还有很长的路要走。宏观与微观在本质上能否统一，对科学家而言，解析更复杂的大脑看似无限的互联是一项极其宏伟的挑战，考验着人类和人工智能的极限。

二、揭示人类智能与其他生物的本质区别。

大象大脑的大小是人类的三倍，大象的小脑中有2510亿个神经元，负责管理巨大的躯干，而皮质层中仅有56亿个，不足人类三分之一。灵长类动物可以将比其他哺乳动物将更多的神经元装入大脑皮层，例如与大象和鲸鱼相比，类人猿大脑很小，但它们的皮质却要密集得多，猩猩和大猩猩有90亿个皮质神经元，黑猩猩有60亿个。

人类的大脑在皮质层中拥有 160 亿个神经元，远比地球上任何其他物种都要多。这是人类和非人类大脑之间最明显的区别。大脑的智能程度与大脑架构有关，而不仅仅是重量和大小。

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人类的大脑比大象或鲸鱼的大脑小得多。但是，人类大脑皮层中的神经元比任何其他动物的皮层中都多得多。

人类大脑的独特之处还在于其无与伦比的贪食。虽然它只占体重的 2%，但人脑在休息时消耗了身体总能量的 20%，而且人类以大脑为中心的葡萄糖转运基因在人类脑组织中的活性是黑猩猩大脑中的 3.2 倍。相比之下，黑猩猩的大脑只需要人类大脑消耗能量的一半。

除此之外，人类的大脑在不断地进化激增，尽管扩张的机制长期以来一直是个谜，但是来自解剖学的证据却毋庸置疑！人类大脑进化的激增是我们与其他动物相比异常高智商的关键原因。

三、对人类大脑的映射将促进人工智能的再次飞跃。

覆盖大脑表面的错综复杂的褶皱形成了大脑皮层，这是一块比萨饼大小的组织。它是人类大脑的中央处理器。这张大约三毫米厚的皮层薄片由一系列重复的模块或微电路组成，类似于计算机芯片中的逻辑门阵列。每个模块大约 100000 个神经元组成，这些神经元排列在复杂的互联神经网络中。不同大脑区域的模块专门用于视觉、运动或听觉等特定目的。

新技术的突破使研究人员能够分析大脑模块内的神经元如何相互作用，虽然还仅限于小范围的应用。但这是人类历史上第一次，能力询问大脑的模块，而不仅仅是猜测。

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神经元结构

虽然人工智能并不是一个新想法，但是目前人工神经网络的连接规则几乎肯定与大脑采用的规则不同。当今的神经网络由前馈架构组成，其中信息通过一系列层级从输入流向输出。每一层都经过训练以识别某些特征，例如眼睛或胡须。然后该分析被前馈，每个连续层对数据执行越来越复杂的计算。

但是这种前馈结构忽略了生物系统的一个重要组成部分：反馈，无论是在单个层内还是从高阶层到低阶层。在真正的大脑中，皮层的神经元与其相邻层的神经元相连，形成了一个极其复杂的循环网络。反馈与前馈的神经连接一样多，是人类大脑皮层网络一个非常重要的功能。

虽然，目前神经科学家还不能准确地理解这些反馈回路在做什么，但是反馈电路有才能赋予机器我们认为人类独有的特征---意识！！

当前最重要的是需要对神经元和连接活动进行大规模映射，但这项任务极具挑战。仅从数据存储上来说—每立方体毫米大小的脑部组织神经结构需要计算机1-2PB的数据。然而最大的挑战是：从算法上弄清楚这些神经元之间连接的规则以及连接所代表的含义。

但是一旦该项工作被人类攻克，那将会是生命科学颠覆性成果，虽然科学的穆朗玛峰难以逾越，但是仅需一次就够了。

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