龚能:人何以为人——意识的生物基础 ß

龚能:人何以为人——意识的生物基础 ß

来源:墨子沙龙

龚能 | 中国科学院神经科学研究所工程师

猴子与高级认知

尊敬的各位校友,我是98级少年班和生物系的龚能,今天很荣幸做这个报告,也很有压力。组委会让我讲人从哪里来要到哪里去?这个题目压力很大。我今天斗胆结合自己的工作,跟大家分享一下《人何以为人》这个主题,我虽然我的题目叫人何以为人,但其实我是研究猴子的,不是研究人的。我来自中科院神经科学研究所,我们单位还有一个名字叫中科院脑科学与智能技术卓越创新中心,因为现在中国把大脑的脑计划和人工智能放在一起研究,我们所和北京自动化所在一起成立智能技术卓越创新中心,希望脑科学和人工智能技术有交互启发。我们所里有两个很大的灵长类的平台,一个是猕猴平台,我们平台的研究员孙强他的团队在世界上首次得到了体细胞克隆的猴。

另一个是由我管理的平台,模型是狨猴,这种猴子非常小,可以抱在手指上。它的原产地在南美巴西。我们通过猴子模型,目的是研究人类高等的认知功能,看看猴子到底具备哪些人类具备的高级认知功能。

前面说了题目《人何以为人》,大家应该都没有疑问,为什么人是高等动物,一定是因为我们的大脑。我们没有鸟飞得高,没有老虎跑得快,没有鱼会游泳,但是还是高等的动物,是大脑决定的。常规的小鼠大脑有7100万个神经元细胞,小狨猴有6亿个神经元的细胞,跟孙悟空一样的猕猴有63亿个神经元细胞,而人类大脑的神经元细胞,按照10倍10倍的数量级增加——有800多亿个神经元细胞,这些神经元细胞构成了人类复杂的认知功能。人类大脑的功能分几个不同的层次,首先有视觉、嗅觉、感觉,我们可以感知外界的信息,有这些信息输入之后,针对输入我们可以进行反应,有天敌过来了我们要逃跑。这种感觉和运动的基本能力所有动物都拥有,是生存所必须的能力。人类有高级认知功能,会讲话,有语言,有社会,有家庭,有各种各样高级能力,所以现在人类最主要的问题是什么是意识。

在Science杂志125周年,提出来125个大科学问题,排名第一的是宇宙是怎么组成的,排名第二的是人类意识的生物基础是什么,大家都没有答案。所以说意识研究是我们研究大脑的终极目标

○ 意识是怎么产生的?

意识是怎么产生的?

还是猴子的问题,人类有很多高等认知功能,比如说语言,除了人类之外,没有别的动物有语言的能力,对于生物学家来说,就需要研究,我们相信所有能力都有进化的过程,我们从进化当中追根溯源,这样便于找到人类高等脑功能的起源和它的神经机制,我们想人类的很多行为是不是具备唯一性。

比如常规我们照镜子,有自我意识,有家庭、社会,有共情,同情心,有语言的交流,这些是不是人类唯一具备的能力?还有更复杂的,比方说我们可以使用货币、工具、文化艺术、战争,各种情绪,我们可以补充人类各种各样的高级功能,这些是不是人类唯一的特点?如果以狭义来看,定义人类的语言,或者人类某种艺术,当然是人类特有的,但是我们可以更广义的来看,像这些语言,比如说鸣禽会唱歌,通过歌声交流。很多动物有群落,广义上人类没有一个行为是唯一性的,我们一定可以在什么其他动物上找到归根溯源的起源。这是为什么我们研究猴子的目的,因为猴子是我们研究大脑起源的一个途径。

我们实验室研究猴子的自我意识,家庭社会关系,还有语言。下面就这三个方面,结合我们实验室工作给大家做一个介绍。

自我意识

首先什么是自我意识?我就是我,这好像是一个哲学问题,并不是科学问题。但是我们生物学里面有一个实验,怎么样判断这个人或者这个物体,是否具备自我意识,在四五十年以前科学家想了一个办法:进行一个测试——标记测试。小孩脸上涂了颜料,看镜子的时候,发现脸上一个颜色,会对着镜子检查颜料,代表他会照镜子,他知道镜子里是自己,这是标记测试。这是目前唯一一个检测自我意识的办法,这个实验有局限性,但是没有更好的办法。

科学家们根据这个办法,然后看动物是不是有这个自我意识,饲养员给红猩猩脸上涂颜料,当它看到镜子的时候,会用手去摸头上的颜料,代表猩猩通过了这样的测试,可以认为类人猿具备自我意识。还有另外一个类人猿对着镜子,摸自己的头发、脸、鼻子等等,好像会照镜子。目前科学界里面公认,人类和少数类人猿是公认具备自我意识的物种,这是一个非常高等的能力。除了人和类人猿之外,别的动物是不是有(自我意识)呢?科学家们做了很多试验,比如这是一只亚洲象,大象其实是非常聪明的物种,但是腿很粗,不可能用腿摸脸,它可以用鼻子触摸脸上标记,它会用鼻子拍脸上的记号,但目前世界上只有一只通过测试的大象,所以大象是否有自我意识生物学上缺乏重复,有争议的。

另外海豚也是公认的非常聪明的物种,海豚没有手,没有办法做标记测试,但是它在镜子前摇头晃脑,做各种各样的动作,好像照镜子一样,显得海豚也会照镜子。还有鸽子,就是鸟类,鸟类是非常聪明的。鸽子会用嘴啄身体上的记号,变相的标志着它也通过了测试。这些动物都有报道,但是都是个例,没有重复性。

对于生物学来说,我们更关心猴子和类人猿,因为猴子和人是一样的,我们是在一支上进化的,通过研究猴子,可以研究我们人类大脑是怎么工作的。科学家们最关心还是我们常规的猕猴是不是具备自我意识。猕猴捡到一面镜子,一看吓一跳,它会以为是另外一个猴子,我们一般认为猕猴是不会照镜子的,不知道里面是它自己。从这个测试出现开始,在过去五十年里面,在比较心理学这个领域里面猴子到底会不会照镜子,有没有自我意识是很重要的问题。这对研究人的大脑进化是非常重要的,但是科学家们找了很多办法都没有成功,以前一直公认猴子没有自我意识,但是我们是猴子实验室,我们想到如果猴子没有自我意识是不合理的,因为从猴到类人猿到人类,为什么会突然断掉呢?在进化上怎么往前追溯呢。于是我们设计了一个办法,叫视觉感觉偶联训练,这个训练很简单,我们把猴子放在镜子前,它坐在这里,拿一个激光笔,但是和我手里的激光笔有点不一样,那个光具有高能量,这个光打在猴子脸上会感觉痒,往脸上一照它会用手挠痒,前面放一面镜子,让猴子坐在那边训练,我用激光笔照它脸,它会挠激光点。同时镜子里的猴子也在挠点,猴子训练以后会建立自己和镜子里面猴子的关联,只要看到点就挠,训练一个月以后,我们把激光笔换成普通的激光笔,普通的光点,这个光点不具备能量,它脸上没有感觉,也不会觉得痒,再照,猴子会根据镜子里的成像去摸脸上的光点,代表它已经学会了镜子跟自己对应的关系,通过这样的视觉偶然训练来判断它是否具有自我意识。

视觉本体位置偶联训练
视觉本体位置偶联训练

实验中光点一照猴子,它开始摸,摸了以后给它食物奖励。这个训练里面,它依赖于感觉去摸点,不是学会的,但它学会以后,把激光笔换成普通激光笔它就会做了。学会了关联以后是不是就会照镜子了?刚刚文章发表以后科学界反响很大,觉得我们解决了一个大家没有解决的问题,但是这个领域里面很多专家质疑我们,你们这个实验有问题的,激光笔照猴子脸它有感觉,诱导它摸自己脸,形成条件反射不停地摸脸,不一定代表它真正学会照镜子。

为了回应这个问题,我们设计了另外一个方案,叫视觉本体位置偶联训练,这个名字听起来比较复杂,其实很简单,我们这个时候只用低功率激光笔,不用高功率,是没有感觉介入的,另外不照在猴子脸上,我们在猴子脸旁边放一个纸板,激光笔照在纸板上,这个时候训练这个猴子根据这个镜子去摸纸板上的点,我们不再训练它的身体,默认猴子不会用镜子,我们现在教它怎么用镜子,教他会用镜子,当这个猴子学会用镜子之后就表示有自我意识,这是我们另外一个方案。实验中它会对着这个镜子摸旁边的点,它摸得很准,这是很难的,你们可以试试看,人都不一定做得到,很难。它如果学会,代表它对镜子的使用非常充分,知道怎么用镜子,表示它具有这样的能力。

视觉本体位置偶联训练
视觉本体位置偶联训练

训练过的猴子会干什么事情?这非常重要,因为这等于是标记测试,在猴子脸上涂上颜料进行测试。这是近五十年来第一次有猴子可以通过标记测试。猴子脸上涂了颜料,一看赶紧摸,摸完以后闻一下是什么东西,看一看手指。这边是绿色颜料,它先看看,再摸一下,闻一下什么东西,这和人的表现非常像,黑色颜料也是这样。我们用激光笔训练,检测的时候猴子表现很好。

这里有一个问题,猴子和我们人类一样,我们人会对着镜子梳妆打扮,很常规的反应。猴子也一样,比如说这个猴子可能长这么大,从来没有看见自己的屁股,它看不见,现在会照镜子了,会不会通过镜子看身上自己看不见的部位?它会不会用镜子摸摸脸、摸摸牙齿等梳妆打扮。经过训练的猴子会摸摸脸上的毛,摸摸鼻子,摸摸牙齿,它会照镜子梳妆打扮了,这是很典型的在照镜子的行为。

实验中因为猴子从来没有见过屁股,所以会对着镜子看看自己的屁股。我们在世界上第一次证明猕猴是会照镜子的,具备自我意识。我们做了很多排除实验和对照实验,大家会问一个问题,猴子摸这个标记,是真的会照镜子,还是学会了一个规则。比如我看见你,我跟你面对面,我看见你脸上有颜料,我也会摸我自己的脸,这是很简单的规则。为了排除这个可能性,我们做一个实验,我们拿玻璃板,把两只脸上都涂了颜料的猴子隔开,如果学会的是规则,它会摸自己的脸。如果没学会规则,知道是玻璃板,它会和另一个动物有交流。我们可以看到它们之间是在交流,并没有摸自己的脸。但是把玻璃板换成镜子,它开始摸脸了,这个实验我们证明训练过的猴子确实学会了照镜子,它知道镜子里面是自己,能够分辨是别的猴子还是自己,代表一种自我意识的体现。

○ 猴子在照自己的屁股
猴子在照自己的屁股

这是一个行为实验,这个实验更大的意义在什么地方呢?以前大家认为在进化里面,人类有几百万年认知的缺陷,里面有几百万年的空白,在这几百万年里面,人类的高级脑功能是突然之间出现的,不知道怎么出现的,进化上没有起源。首先第一点这个实验告诉我们,在进化上是有起源的,从猕猴开始具备自我意识,以前猕猴不会用镜子,现在会用镜子了,表现出有自我意识。另外,更重要的意义在于我们可以让一个猴子,从无到有表现出自我意识来,可以对猴子的大脑环路做功能磁共振或者电生理检查,对猴子大脑进行实时的观测。我们从刚开始到训练完成全过程进行监测,会知道猴子学会照镜子之后大脑发生的变化,知道大脑里面哪些环路和脑区负责自我意识的产生。这对意识神经机制的研究是很好的模型,但是这个实验非常难,对清醒的猕猴做这样的大脑记录非常困难,我们现在还在解决这个问题,希望几年以后有这个成果。

语言

还有语言,猴子并不太会讲话,声音非常少,主要靠动作,能否用猴子研究人类的语言?以前语言学家都是用鸟来研究语言机制,鸣禽之间通过唱歌来交流,怎么用猴子研究这个事情呢?我们把语言的特性进行分解,语言怎么组成的,第一,语言要有词汇量,需要掌握足够多的词汇量,第二是语法,我们要用语法把不同的词汇组成句子,比如说我要吃苹果,语法让词汇组成有无限多的可能性。第三有音调,比如说升调代表疑问,降调代表肯定,所以我们可以把语言分成不同的成分,既然猕猴很少叫,我们可以研究序列,给它做一个任务,用手来指序列,这个序列代表不同的语法。

我们所里的王立平研究员今年发表的一项工作,他让猴子学序列。先是点A、B、C,反过来又是A、B、C,这个时候A、B、C反过来C、B、A,就是去学会序列的重复和序列的镜像,你可以学会序列,序列代表语法的能力,这个实验第一次证明猕猴会嵌套性的序列,接下来同样可以做核磁实验,做大脑机制的实验,研究猕猴为什么会具备这样的能力。这只是一个例子。

我自己主业是研究狨猴,不是猕猴,狨猴的特点是非常小,生活在巴西雨林里面,狨猴互相之间看不见,它们在树上靠叫声交流,狨猴叫声和鸟类差不多,非常丰富,唧唧喳喳的,所以狨猴是非常好的研究语言的模型。

在狨猴出生后一周,我们对它的声音进行录音,声音非常复杂,没有什么规律,像一个小孩子的哭声,但是出生五周后,声音变得非常有规律。所以它的发声是需要学习的,当它的父母给狨猴回应,给他回应越多,声音成熟过程越快。狨猴小孩确实在听,听父母给它的回应,听得越多,声音成熟越快,它在学习这个语言。我们现在有很多像这样的工作,我们跟中科大,科大迅飞进行合作,进行语音的分析和识别,进一步研究狨猴怎么样学习语言、分析语言。如果狨猴可以作为研究语言的模型,当然比鸟好,因为狨猴的大脑结构基本和人类一样,可以用它研究大脑处理语言的神经基础。

目前发现一个基因FOXP2,这个基因发现于语言障碍的病人家系,这是目前发现的唯一一个最重要的、与人类语言相关的基因,这个基因有一个特点,从啮齿类到非灵长类,到猴和类人猿都是保守的,唯独到了人类发生了两个突变。我们自然有一个想法,如果把猴子里面的FOXP2,突变成人类的FOXP2,当猴子具备人类的基因之后会怎么样,会做什么事情。我觉得会说话不太可能,太天方夜谭了,但是也许会获得某些语言能力,比如说获得更强的序列分析能力或者更强的语音能力。我们现在在做狨猴的转基因,基因编辑的工作,我们想制备一个表达人类的FOXP2基因的狨猴,看看基因对语言的进化和起源有什么影响。

 社会关系

最后一部分我们讲,人类有自我意识和语言,还有同情心。那么动物到底有没有同情心?看社会新闻里面,看两只小狗其中一只死了,另外一只抱住它,很多这样的新闻。但是这个有一点把动物进行拟人化的描述,科学上到底动物是不是有共情心,是有争议的,不太确定,但是人类是有共情和同情心的,人类看你很痛苦,我也很痛苦,我会想着去帮你。

中国的猕猴,是有一个猴王,一个公猴猴王带上几十个母猴,组成大的社会群体,母猴自己生孩子带孩子,公猴不管小猴子,是一个父系社会。但狨猴是高度家庭化的,是一夫一妻,父母合作带孩子的,家里有兄弟姐妹,兄弟姐妹帮父母带孩子。这是一个和人类很像的社会结构,狨猴提供了一个很好的研究社会关系、家庭关系、家庭内部组成的动物模型。

这个实验中,我们把狨猴家里的孩子关在水池对岸,大家猜狨猴的父母会不会跳过去救自己的孩子?结果很明显,当孩子岁数小于一个月的时候,父母会非常拼命跳过去,宁愿掉水里也要把孩子救回来,当孩子大于两个月,孩子在对岸,父母就不管了,随便你怎么弄。不管你了,我也不看你了,狨猴内部家庭结构的组成和人类家庭很像的关系,比方说有母性行为,对孩子关心,对配偶关心,我们有很多数据,我们不能一一展示,还有核磁成像结果,猴子为什么救自己的孩子,为什么有年龄依赖性。

还有一个结果很有意思,当猴子自己家里有小孩子的话,它也会救别人家的孩子,自己没有孩子,也不会救别人家的孩子,这是母性,是很通用的规则,我们想利用狨猴或者猕猴研究人类各种高级脑功能,人类行为其实没有什么特别的,没有什么是唯一的,我们在进化里面一定能找到一些起源和机制。

最后,因为主办方给我一个任务,讲人类未来怎么样,我提一个话题,待会儿圆桌讨论可以讨论这个话题。刚才我们讲,中国第一个制备出克隆猴,中国也是第一个制备出基因编辑猕猴的国家。这个实验是我们所里另一个工作,我们制备出世界上第一个自闭症转基因猴模型,所以说中国在基因编辑、在转基因上面在世界上有非常领先的技术,中国、欧洲、美国都有很多公司大家在努力,把基因编辑技术包括干细胞技术用于人类,我想这个技术以后必然会用于人类。但是今年有一个师兄,让基因编辑技术背了黑锅,现在社会上都认为基因编辑技术是妖魔化的技术,他没有在经过很好伦理保护的情况下,实验也并不合理的情况下面,他第一个做出基因编辑婴儿,这个事情肯定是不对的,他没有伦理保护,实验也不合理。我觉得在合理的保护情况下,基因编辑技术以后一定会用于人类。我们不一定说靠技术造出一个超人,但是可以利用技术治疗人类疾病,包括大脑疾病,这是很重要的方向。

脑科学与人工智能

脑科学与人工智能

第二部分讲一下脑科学和人工智能,大家知道AlphaGO,围棋已经战胜人类了,作为人工智能精准大数量学习,绝对是人类不可比拟的,随着神经科学的发展,对大脑活动了解的越清楚,大脑的活动规律可以反过来用于人工智能的深度学习,让人工智能可以自主学习,这样可以有更强的能力做这件事情。但是AlphaGo再厉害,他不能自己把棋子拿起来放桌子上,他做不到,还需要人来做,我们人类可以拿起一个棋子,或者端起一杯水,再放桌子上,这些事情看起来很简单,但是在人工智能领域很困难,我们的手能随时感应东西的重量,感应杯子里水的多少,平稳放桌子上,这个过程非常精细的过程。还有一个方向,是脑机接口,当人类对大脑的活动有足够多的解码、认识以后,我们需要用大脑去实现更多,比如残疾人控制机械手,怎么让机械手做的跟人手一样,感觉一样灵敏、又很精确的控制,是一个很难的问题。

另外一个是禁忌的话题,当我们前面做猴子实验,让猕猴会照镜子以后,我们跟北京智能化所的同事是做机器人的,他教机器人照镜子。我想在座的做机器人人工智能的专家知道,机器人能不能有自我意识,是非常敏感的话题,非常禁忌的话题。当机器人具备自我意识以后,机器人要生存,是不是会威胁到人类,这是个很敏感的话题,是可以讨论的方向,机器能不能具备意识?

最后这个话题在生物学会议上是不能讨论的,是非常禁忌的话题。我们做科学、生物学,事实客观规律就在那里,我们的任务是为了用方法发现这个事物的客观规律,这是我们生物学的科学的基本唯物主义的观点。但是越来越多的理论,认为意识可能是量子力学的现象,比如说薛定谔的猫,宏观叠加的效应,不知道猫是死是活,你必须依赖于你的观测一个通俗的例子,我进来一个黑的房间,房间是黑的,我什么都不知道,我的意识告诉我,我需要用我感官,视觉、听觉、嗅觉、触觉,感受这里面的变化,比方说我听见一声猫叫,我知道这里面可能有一只猫,这个我形成一种意识,但是下一步确定是不是还有猫,我要开灯看一下是不是有。跟量子力学里面观测一样,我们人体各种感觉器官是一种观测的办法,当我观测了形成结论和意识,这也是很敏感的话题。关于这个话题我没有个人观点,但是可以来探讨。

深圳站 编辑 辛晓炜

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