马斯克上传大脑，脑机接口时代来了？不！你还需要量子计算

本周，世界首富、科技狂人埃隆・马斯克在社交平台上表示，自己已将大脑上传至云端。消息一出，全网哗然。人机交互（HUMAN AI SYSTEM）或脑机接口的时代已经到来了吗？

早在2016年，马斯克开始持续投资脑计算初创公司NEURALINK，目标是开发一种设备，可以在植入人脑后，让计算机将人的思想转化为行动。他不仅要治疗脑部疾病和紊乱，还要使其痊愈。

尽管马斯克雄心勃勃，但NEURALINK尚未在人体上进行测试：该公司还没有获得美国联邦药物管理局的批准，允许将其技术植入人体。

今年6月，MUSK曾表示：人脑中的信息本质上是电信号，大脑上传云端在技术上可以执行。“我们是一个大桶里的大脑――大桶是我们的头骨。我们所有的感觉和记忆都是电信号。”

虽然脑机接口还处在早期发展阶段，但作为下一代计算技术的量子计算，可能在这一过程中发挥重要作用。

脑机接口技术是什么？脑机接口技术其实就借助于脑电波的芯片读取技术，将人的脑意识借助于芯片进行链接。那么这种读取技术是双向的，不仅可以读取人脑的意识，同时可以模拟人脑的记忆产生模式，给大脑写入一些记忆。但是要实现脑机接口，必须模拟大脑。几十年来，计算神经科学领域已经有很多工作成功地对大脑和大脑活动进行了计算机模拟。但重要的是要了解完成任何给定模拟所需的规模。

从基因到分子、细胞、细胞网络和大脑区域网络，大脑在结构和功能上是非常有层次的。任何对大脑的模拟都需要从一个合适的数学模型开始，一组方程式用于获取所选的建模比例，然后指定一组在计算机上模拟的“规则”。它就像一个城市的地图。地图制作者需要决定地图的比例――包含多少细节以及忽略多少细节。为什么？因为大脑的结构和计算复杂性极其巨大，以至于在现有的经典计算机中不可能进行跨越多个尺度、具有大量细节的模拟。

尽管在这个巨大的结构和计算领域存在着大量关于分子和细胞生物学和生理学的数学模型，但由于该领域所呈现的组合空间的巨大规模，导致无法进行任何准确的模拟。这与优化不同政治观点的人围坐在一起的问题属于同一类。但是在更大的范围内。

在组织的许多层面上，大脑都有大量的细节和结构。如果你仅仅考虑组成大脑的细胞数量和它们之间的连接数量来代表大脑的计算复杂性(组合空间)，那么它就已经大得惊人。

必须强调的是，大脑是一个由密集互连的细胞组成的巨大网络，由大约171万亿个脑细胞组成――860亿个神经元(参与信息处理的主要脑细胞)和另外850亿个非神经元细胞。这些神经元之间大约有10万亿个(1016)连接。在大脑中的850亿个其他非神经元细胞中，一种被称为星形胶质细胞的主要细胞，它具有监听和调节神经元信号和信息处理的能力。星形胶质细胞自身形成一个巨大的网络，同时也与神经元网络进行交互。所以大脑实际上有两个不同的细胞网络。各自执行不同的生理和交流功能，但同时又相互重叠和相互作用。

在所有这些结构之上，有数以亿万计个离散的电脉冲，称为“动作电位”，作为连接的神经元之间的信息。与神经元不同，星形胶质细胞不使用电信号。它们依靠不同形式的生化信号来相互交流以及与神经元交流。因此，在大脑中还有一个完整的、基于分子的信息传递机制在起作用。

尽管神经科学家还没有完全理解，但我们至少知道，所有这些电信号和化学信号的相互作用进行了所有计算，产生了大脑能够完成的一切。

现在停下来想一想，在这种令人难以置信的复杂性下，大脑的状态可以呈现出无数个动态和不断变化的组合。然而，正是这种组合空间，由网络层次结构中数万亿个信号和数十亿个细胞产生的计算，导致了大脑所能做到的一切，如动手、学习、体验和感知。

因此，任何对大脑的计算机模拟最终都将是非常有限的。至少在经典计算机上是这样。

迄今为止，对大脑进行的最大规模的模拟有多大、有多完整？它们对科学家对大脑的理解有多大影响？答案主要取决于模拟的内容。换句话说，在给定无数组合过程的情况下，需要多大规模，考虑多少细节。

来自世界各地的各个研究小组肯定会继续进行令人印象深刻的尝试，但被模拟的细胞和大脑的数量、细节水平和被模拟的时间仍然相当有限。这就是为什么那些鼓吹突破性的大规模大脑模拟的头条新闻和声明可能会产生误导，有时会引起争议和强烈反对的原因。

对大脑进行大规模多尺度模拟的挑战是非常大的。因此，“迄今为止所做的最大的大脑模拟有多大、有多完整”以及“它们对科学家对大脑的理解有多大影响”的答案并不多。

首先，就其本质而言，如果有足够数量的量子比特，量子计算机将擅长解决和优化非常大的组合问题。这是量子力学和计算机设计的内在结果。

其次，考虑到人脑的庞大规模和计算复杂性，任何具有足够细节的大型多尺度模拟的尝试都必须与问题的组合空间抗衡。

第三，建立一个潜在的量子计算机神经模拟也许能够利用大脑所受的物理作用。尽管大脑具有计算能力，但它仍然是一个物理对象，因此可以使用物理约束来设计和指导本质上可组合和可并行化的模拟规则(量子计算算法)，从而利用量子计算机的优势。

举个例子，局部规则，例如单个神经元的计算规则，可用于以分散的方式计算神经元网络的涌现动力学(EMERGENT DYNAMICS)的各方面。每个神经元都在做自己的事情，并为更大的整体做出贡献，在这种情况下，整个大脑本身的功能都在同时发挥作用，而没有意识到它们各自也在贡献什么。

最后，目标将是了解大脑产生认知特性的紧急功能。例如，大规模量子计算机模拟可能会发现潜在的(隐藏的)属性和状态，而这些属性和状态只能在整个大脑尺度上观察到，如果没有足够的细节和从更小的尺度进行模拟，就无法计算。

如果这些模拟和研究成功了，人们就能推测还有什么未知的大脑算法有待发现和理解。这些未来的发现可能会对人工量子神经网络等相关主题或专门设计的硬件产生重大影响，有朝一日可能会挑战现有计算系统的边界。需要说明的是，本文讨论的重点是未来量子计算机的潜在用途，即对大脑进行目前尚不可能完成的模拟。虽然一些研究人员提出神经元本身可能是微型量子计算机，但这种计算机完全不同也与这里没有关系。

或许量子计算机将为神经科学以及人们对大脑的理解开创一个新时代。它甚至可能是唯一真正的前进方向。

但我们仍然需要回到现实，因为截至目前，实际构建具有足够稳定量子比特的可行量子计算机仍然是一项正在进行的工作。尽管已有一些商业努力并取得了不同程度的成功，但仍然存在许多困难的硬件和技术挑战。

将大脑与量子计算机连接起来的设想，由KANAS等人[2]在2014年提出。2020年，MIRANDA[3]报道了第一次使用量子计算的BCI演示，他的目的是使用量子计算分析大脑信号，从而控制其他设备，如机器人、车辆和乐器。

2022年初，一个国际研究团队提出了第一个大脑-量子计算机接口的概念验证系统，演示了如何通过精神活动控制一个量子比特。其中，上海大学量子人工智能科学技术中心(QUARTIST)主任、特聘教授ENRIQUE SOLANO参与了这项研究。

研究人员开发了一种方法，将精神活动的神经关联数据编码为量子计算机的指令。大脑信号是通过放置在人头皮上的电极来检测的，被实验者学习如何产生所需的精神活动来发出旋转和测量量子比特的指令。他们在IBM量子模拟器上运行了这个概念验证系统。

研究人员开发了一种简单的方法，将脑电图编码为旋转量子比特的指令。该方法考虑了两种精神状态：低唤醒(也称为放松)和高唤醒(也称为兴奋)。然而，要控制量子比特，我们至少需要四条不同的指令。由于指令的数量大于精神状态的数量，作者通过独特的“大脑代码”将指令依次传递给系统。这些是类似莫尔斯电码的二进制代码。

每个指令都有一个独特的大脑代码，其中0和1分别对应放松和兴奋的精神状态：

：这是启动程序的指令，用于初始化与量子系统的连接。没有这个初始化，其他指令都无法工作。

：该指令具有两个功能。当它第一次出现时，它会将布洛赫球的旋转轴

被实验者通过改变他们的精神状态来产生大脑代码或指令，以旋转一个量子比特。有一个节拍器可以让大脑和系统同步。它每秒发出一声“咔嗒”声。系统在持续四声咔嗒(即四秒)的时间窗口内构建大脑代码。

最初，系统发出四声咔嗒，提示被实验者准备开始工作。随后，在接下来的四声咔嗒中检测到的大脑活动将对应于代码中的第一个数字。类似地，第二个数字是通过接下来的四声咔嗒确定的。然后，提供四声咔嗒的休息时间，以使被实验者能够监控输出，即观察所需的量子比特旋转是否已经实现。然后，循环重新开始，依此类推。

不过，作者最后仍表示，目前可用的量子计算硬件和大脑活动传感技术还不足以开发出用大脑实时控制量子态的技术。我们离将大脑与真正的量子机器连接起来又近了一步，随着硬件技术的改进，未来大脑/量子计算机接口将变得可用。

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