腦科學一直是備受關註的領域，在科研進展日新月異的同時，也對相關的科普提出瞭新的挑戰。顧凡及老師希望能寫出兼具前沿性和趣味性的科普書，《腦科學故事》正是在這一目的下誕生的。如今，這本書出版瞭第三版，補充瞭許多對新問題的解讀。知識在不斷更新變化，但本書呈現的思辨精神始終如一。這其中的變與不變，值得慢慢品味。
《腦科學的故事》（第三版；上海科學技術出版社，2024年8月版）
撰文 | 俞洪波（復旦大學生命科學學院教授）
作為顧凡及老師《腦科學的故事》的忠實讀者，我在日常授課中大量引用書中的內容，師生們受益良多。自2011年第一版出版以來，腦科學領域經歷瞭巨大的變革，新思想和新技術層出不窮。近年來的課堂討論中，學生們也提出瞭越來越多的新問題。恰逢《腦科學的故事》第三版的出版，顧老師深入淺出地解讀瞭這些前沿問題，這一修訂可謂恰逢其時。
2006年，Hinton提出深度學習理論框架；2012年，谷歌的DeepMind團隊成功將其應用於圖像識別，人工智能（AI）在理論和應用上都取得瞭跨時代的進步。在我寫作之際，2024年諾貝爾獎剛剛揭曉，Hinton獲得物理學獎，而將深度學習應用於蛋白質結構解析的Hassabis則獲得化學獎。社會各界都在積極擁抱人工智能時代的到來，例如復旦大學在2024年推出瞭100門AI+課程，涵蓋瞭AI的基礎理論及其在各專業中的應用。作為一位終身從事計算神經科學的學者，顧老師在新版中用通俗易懂的科普語言對AI進行瞭專業且公允的介紹。
在本書的“智能機器的故事”一章中，顧老師引用瞭“智能”的定義，區分瞭“技能”和“獲得技能的能力”，特別指出後者才是真正的智能，這有助於糾正大眾媒體中泛AI化的傾向。同時，這也緩解瞭人類對AI取代人類的焦慮，引導我們思考如何發掘人類真正核心的智能，將AI視為人類技能庫中的最新成員，正如歷史上對待文字、計算器和電腦的態度一樣。另一方面，顧老師特別提到，“技能是完成特定任務的能力，雖然可以很復雜，但缺乏適應性”。這為固步自封的人和公司敲響瞭警鐘，因為“技能”正是目前AI的強項。因此，這是一個最好的時代，也一個最壞的時代：前者適用於銳意進取、靈活應變的群體，他們將擁有強大的AI工具；後者適用於抱殘守缺、一招鮮吃遍天的群體，他們將逐步被AI取代。
對於人工智能的發展，新版書中介紹瞭“類腦”和“腦啟發”兩種方向。前者認為“人腦是世界上最聰明的系統”，後者則認為“人腦是進化的產物，進化是個修補匠而非工程師”。因此，前者註重對人腦的仿真，後者則更關註人腦運行中普適規律的應用。目前主流的AI算法基本屬於後者，它們在特定任務上可超越人類。然而，這常常導致大眾對AI算法的迷信，甚至不再關註人腦的運行機制。對此，顧老師特別指出“深度學習作為腦啟發的一個典型實例，啟發來自視覺系統中不同層次神經細胞感受野的多重投射”，但“工程師通過技術手段實現瞭這一點，取得瞭舉世矚目的成就”。隨後的追隨者在這一原理框架上進行參數改進並不斷突破，卻往往忽視甚至輕視其本源。殊不知，當算法遇到下一個瓶頸時，答案或許就在生物腦中。
事實上，隨著AI算法的不斷推進，一個瓶頸逐漸浮現，那就是AI算法能耗的指數級增長。包括OpenAI在內的領先科技公司都意識到瞭這個問題。解決方案之一是在現有基礎上繼續投入大量電能，這使得新能源成為關註熱點；而另一個選擇則是降低實現算法所需的芯片能耗。後一種選擇正是本書中“神經形態工程的故事”章節的重點。其依據在於人腦在處理海量數據時的能耗“幾乎與冰箱裡燈泡相當，大約隻有20瓦”。因此，模擬神經元運算模式以大幅降低AI算法能耗已成為時代需求。這其中包括如何“超越馮·諾依曼架構”，因為“人腦並沒有分離的中央處理器和存儲器，處理和存儲都是在本地完成”，這種方式顯著減少瞭兩者之間通信帶來的能耗。書中介紹瞭多種並行開發的神經形態芯片，它們各具特色，但“這些系統的共同點是采用脈沖發放神經元作為基本元件，並通過脈沖進行通信”。
從以上分享的內容可以看出，顧老師對人工智能的介紹並不是簡單的事實呈現，而是以一種貫穿始終的思辨精神進行剖析。因此，本書並不是一本緊跟潮流的再版書。值得關註的是，這種思辨精神貫穿整本書，也是從第一版到第三版始終不變的核心：時代在變化，內容在推陳出新，但思辨精神永遠不變。
這種變與不變的特性同樣體現在其他章節中。在近年來備受關註的腦機接口技術領域，顧老師進行瞭大量增訂。十多年前的第一版中，他提到腦機接口的主要問題是“如何長期安全地將電極植入人腦，並可靠地檢測信號”。近年來，這些主要問題得到瞭顯著改善，顧老師在第三版中進行瞭詳細介紹。在“神經聯接公司的故事”一章中，他系統介紹瞭“柔性多絲電極陣列”如何提升安全性和長期性，“聯結芯片”如何實現無線信號傳輸與快速信號解碼，以及“手術機器人”如何在無需專傢團隊的情況下，自動化安全地植入大量電極。但需要指出的是，盡管技術已盡可能減少創傷，這一技術仍屬於有創的腦機接口。在“腦血管‘支架’”一章中，顧老師介紹瞭一種近乎無創的技術，“通過血管將電極陣列送入皮層運動區”，從而“就近監測運動皮層神經元的活動”。2022年，一傢澳大利亞初創公司成功將該技術應用於一位漸凍人患者，使其能夠發電子郵件、網購和召喚醫療服務。這些激動人心的技術遵循著不變的神經科學原則，因此第一版與第三版之間保持高度一致，但十餘年的科技進步則為人類提供瞭更強大的實現手段，克服瞭之前的主要技術障礙。
類似的增訂在第三版中比比皆是，讀此書，品味變與不變，令人感慨萬千。《腦科學的故事》從第一版到第三版出版已有13年，顧凡及老師也已年過八旬。然而，他始終筆耕不輟，與時俱進，知識在不斷更新變化，而思辨精神卻始終如一。這恰恰反映瞭本書中強調的腦與智能的特點，在人工智能風起雲湧的時代背景下，更顯得彌足珍貴。
作者自序
2004年退休以後，一直想做一點自己感興趣、而在上班期間沒有時間做的事；也希望自己在退休之後還能對社會有點貢獻。比較切實可行的是為廣大讀者，特別是青少年讀者寫一些有關腦科學的科普讀物。
回憶我之所以走上科學之路，中學時代讀科普書是最大動因，尤其是別萊利曼的《趣味物理學》《趣味力學》《趣味天文學》《趣味代數學》《趣味幾何學》等既十分有趣，又有硬核科學內容的書使我如癡似醉。所以當我想寫科普書時，首先想到的就是希望自己也能寫出一本類似於別萊利曼作品那樣的兼具科學性和趣味性，還希望能與時俱進，兼具前沿性的趣味腦科學科普書。這對我是一個全新的挑戰。在我的科學生涯中，以往寫東西時多隻註意科學性，有時適當註意一下可讀性，幾乎完全沒有考慮過趣味性。雖有別萊利曼的楷模在前，但是如何做到這一點，是否能為一般公眾，特別是青年學生寫出滿足上述所有要求的書，心中並無多少把握。但是，正是這種挑戰給我帶來歡樂。由於我以前在上海科學技術出版社出版過一本譯作，所以當我把這些想法和出版社的同仁談瞭之後，承蒙他們的支持，覺得可以一試。這樣我們就把這本書的讀者群定位在具有中學文化程度以上對腦感興趣的一般公眾，目的是要引起公眾，特別是青年學生對腦科學的興趣，以講故事的形式向他們介紹腦科學的基本知識。
在目標確定以後，我就把這件事當作科研一樣來做，首先是搜集和篩選盡可能多的材料，當然標準是科學性、趣味性和前沿性。我大量翻閱瞭復旦大學本部圖書館裡有關腦和心智的藏書，對其中有些書讀瞭又讀，並把精彩的地方隨時記錄下來。我又在網上搜索瞭六七百位國外科學傢的網頁和有關腦科學的科普網頁，從中找到瞭不少好材料。我也多次和國內外同行講到我的這一新目標，得到瞭他們的鼓勵和支持，其中一些朋友還給我介紹瞭好些有趣的材料。在這些材料的基礎上，加上我40多年的工作積累，經過4年多的辛苦，終於搭起瞭一個架子，寫出瞭一個草稿。對這個草稿我前後修改瞭8遍，盡管還不很滿意，覺得還需要補充和潤色，但是也不能久拖不決，無限期地修改下去，總得有個階段性的結果。因此終於下決心，在2011年出版瞭本書的第一版。
令筆者感到欣慰的是，初版出版以後得到瞭讀者的認可，並獲得瞭2015年第十一屆上海科普教育創新獎成果獎（圖書類）二等獎和2016年上海科技進步獎三等獎。雖然如此，從初版出版到今天已經過去瞭十幾年，腦科學又有瞭許多新的發展，特別是在腦科學和信息科學技術的交叉領域（本書的最後一章），這種發展更為迅速，需要更新和補充，甚至近乎重寫。另外，因為初版是筆者科普寫作的第二本書，無論從對腦科學本身的理解還是寫作技巧方面都還很不成熟，因此，在目標不變的大前提下，是出版一本修訂版的時候瞭。筆者的這一願望得到瞭上海科學技術出版社包惠芳主任的大力支持。好在這十幾年來，筆者一直沒有停止過學習，以及對材料的搜集和閱讀，還不至於“愚夫難為無米之炊”；不過反過來說，材料太多，而全書的篇幅又不能增加太大，如何選擇倒成瞭不大不小的難題。
筆者自問在修訂本書時已經盡力而為瞭，除瞭重寫的部分之外，對全書也前後修改瞭5遍，不過由於水平所限，一定還有許多缺點，甚至可能有錯誤，希望讀者不吝指正。
顧凡及
2024年元旦序於復旦大學
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