大数据文摘出品

作者：骆利群

编译：王一丁、ShanLiu、小鱼

AI源于人类大脑的结构，并尝试达到与大脑相当的能力。那么二者的差异究竟在哪里？斯坦福大学神经生物学教授骆利群（LiqunLuo）认为，大脑性能高于AI是因为大脑可以大规模并行处理任务。

一起来看李飞飞教授推荐的这篇文章，深入了解大脑与计算机相似性和差异性。

人类大脑的构造十分复杂，它由大约1千亿个神经元组成，并由约万亿个神经突触连接。人们经常将人脑与计算机——这一有超强计算能力的复杂系统相比较。

大脑和计算机都由大量的基本单元组成。神经元和晶体管，这些基本单元互相连接构成复杂的网络，处理由电信号传导的信息。宏观来看，大脑和计算机的体系结构非常类似，由输入、输出、中央处理和内存等独立的单元组成[1]。

大脑和计算机，哪一种系统解决问题的能力更强呢？鉴于过去几十年计算机技术的迅速发展，你可能会认为计算机更具优势。的确，在一些特定领域，通过编写程序可以使计算机在复杂的竞赛中击败人类大师，远至上世纪90年代国际象棋比赛，近及与AlphaGo的围棋对决，以及参加知识竞赛类电视节目（例如Jeopardy）。

然而，计算机在面对许多现实世界的任务时远不及人类——比如在拥挤的城市街道上识别自行车或特定行人，或伸手端起一杯茶并稳稳地送到嘴边，更不用说那些需要概念化和创造力的工作。

那么，为什么计算机擅长某些任务，而大脑在其他方面表现更优呢？对计算机和大脑进行比较，将为计算机工程师和神经科学家的工作提供指导意义。

在现代计算机时代的开端，一本短小而精深的著作《计算机与人脑》开展了这种比较。该书作者是著名的博学家冯·诺伊曼，他在20世纪40年代首次设计了计算机的体系结构，仍是现代大多数计算机的体系结构的基础[2]。让我们看看下图中的数字。

就基本操作的速度而言，计算机有巨大优势[3]。目前，个人计算机能以每秒亿次操作的速度执行基本算术运算（如加法运算）。

大脑的速度可以通过神经元相互通信的过程来估算。

例如，神经元激发动作电位——在神经元细胞体附近释放脉冲电流，并沿着轴突传递，轴突连接着下游神经元。在上述过程中，信息按脉冲电流的频率和时间进行编码，且神经元放电的频率最高约为每秒0次。

又如，神经元主要通过突触释放神经递质来将信息传递给其他神经元，接收到信息的神经元在突触传递的过程中将神经递质结合转换回电信号。最快的突触传递大约需要1毫秒。因此无论在脉冲电流还是突触传递方面，大脑每秒最多可执行大约0次基本运算，比计算机慢0万倍。

注：假设算术运算必须将输入转换为输出，所以大脑运算的速度受到神经元信息传递的基本操作的限制，如动作电位和突触传递。当然也有例外情况，例如，具有电突触的无动作电位神经元（神经元之间的连接不存在神经递质）原则上传输信息的时间要快于1毫秒；同一神经元的树突传递信息的速度也比较快。

计算机在基本操作的精确度方面有巨大优势。计算机可以根据位数（二进制数字，即0和1）来表示不同精确度的数字。例如，用32位二进制数表示数字精度可以达到1/（2^32）或1/42亿。实验表明，神经系统中的大部分数量（例如，神经元的发射频率，通常用于表示刺激的强度），由于生物噪声可能会上下浮动几个百分点，精度最高可以达到1/，比计算机低几百万倍。

注：噪声反映了神经生物学的多个过程，例如神经递质释放具有概率性。例如，在重复试验中，相同的神经元可能会产生不相同的脉冲电流以响应相同的刺激。

专业的网球运动员可以计算出网球以英里/小时飞行的轨迹

大脑进行计算时，同时兼顾了速度和准确性。例如，当网球以每小时英里的速度飞出后，职业网球运动员可以计算网球的运动轨迹，移动到球场上的最佳位置，将手臂放到适当的位置上，并在几百毫秒内挥动球拍，将球击回给对方。

此外，大脑在控制身体并完成击球动作的过程中，其能耗大约只有个人计算机的十分之一。大脑如何实现这一过程？计算机和大脑之间的一个重要区别在于两个系统内处理信息的方式。

计算机主要以串行步骤执行任务，工程师也是通过创建顺序指令流来进行计算机的程序设计。因为串行步骤中的产生的误差会累积和放大，所以对于这种串行操作的级联，对每个步骤的精度要求都特别高。

大脑也使用串行步骤进行信息处理，在将网球击回这一实例中，信息从眼睛流向大脑，然后流向脊髓，以控制腿部，躯干，手臂和手腕的肌肉收缩。

但同时，大脑也利用数量众多的神经元和神经元之间的突触连接来大规模并行处理任务。例如，视网膜中的感光细胞捕捉到移动的网球，并将光信号转换为电信号。这些信号被并行传递到视网膜中的许多不同类型的神经元。

当源自感光细胞的信号传递至视网膜中的2~3个突触连接时，并行神经元网络已经提取了网球的位置，方向和速度的信息，并将这些信息在同一时间传输至大脑。同样，运动皮层（大脑皮层中负责意志运动控制的部分）并行发送命令以控制腿部，躯干，手臂和手腕的肌肉收缩，从而使身体和手臂同时运动，准备好回击飞来的网球。

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