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  人類大腦擁有約850億個神經元,每個神經元通過軸突與樹突與其他神經元相連線。在神經元相連的地方(突觸),訊號通過神經遞質這種化學物質的釋放和吸收而傳遞。關於人類的心靈,神經科學界已經達成的共識是,人的心靈是神經網路中資訊傳遞過程的湧現性質。  神經科學家指出,最關鍵的一點是,人主要的精神活動,如學習、記憶、意識,都是在大腦中發生的純粹的電化學過程。例如,克里斯托夫·科赫(Christof Koch)和朱利奧·託諾尼(Giulio Tononi)在《IEEE綜覽》中寫道:  心靈上傳的概念就建立在這種機械論的世界觀上,否認對於人類生命和意識的生機論觀點。  一些知名的電腦科學家和神經科學家預言,使用特定方式程式設計的計算機將擁有思想的能力甚至獲得意識。這些科學家包括克里斯托夫·科赫(Christof Koch)、朱利奧·託諾尼(Giulio Tononi)、侯世達(Douglas Hofstadter)、傑夫·霍金斯(Jeff Hawkins)、馬文·閔斯基(Marvin Minsky)、蘭道爾·庫納(Randal A. Koene)、魯道夫·里納斯(Rodolfo Llinas)。獲得這種程度的人工智慧將為心靈上傳提供所需的基礎。  儘管如此,心靈上傳將與一般所指的人工智慧有著顯著的差別,因為上傳的心靈擁有原來人腦的資訊並將保留其個人的身份、經歷的認知。  許多理論工作者給出了人腦的建模,並對部分或完整的模擬需要的計算能力作出了一些估計。依據這些模型,一些人預計心靈上傳在幾十年內就能實現,只要摩爾定律能夠繼續有效。

  

  理論上,如果我們能將腦中的資訊與程序從身體中分離出來,那麼我們的心靈就不再受制於個體功能與壽命的侷限性。更進一步,腦中的資訊甚至能被部分或整個地複製或轉移到其他基質(如數字儲存裝置或另一個大腦)中。這樣,從純粹機械論的視角看,我們減緩甚至完全逆轉了這些資訊必將消亡的命運。這一倡議最早見於華盛頓大學的生物老年醫學專家喬治·M·馬丁(George M. Martin)1971年的生物醫學文獻中。

  如果摩爾定律繼續有效,那麼幾十年內,一臺超級計算機將能夠以比生物學人腦更快的速度在神經元層面模擬大腦的執行。不過,由於目前尚缺乏對模擬所需精度的認識,準確的日期並不好估計。不同人對於何時能模擬一個完整的大腦作出了不同的預言,例如雷蒙德·庫茨魏爾(Ray Kurzweil)預言為2045年;一些預言的時限甚至已經成為過去了。  考慮到人腦中的電化學訊號的傳遞速度大致在150米每秒,而電腦中電訊號以光速傳播(三億米每秒),這意味著理論上一個大型平行計算機組中模擬的大腦的思考速度可能能夠比我們的人腦快上幾百萬倍。 不僅如此,神經元在一秒內最多能產生200至1000個動作電位,而2013年的微處理器的時脈頻率已達到5.5GHz,這是前者的五百萬倍。  然而,人腦中大致包含850億個神經元以及連線他們的850萬億個突觸,利用目前的半導體微處理器技術模擬他們中的任何一個都需要一臺今天的超級計算機。如果利用分時系統,所需的計算機的規模能夠被大大縮小,但同時運算速度也被降低了。理論上如果讓一個計算單元處理一個皮層柱(cortical column)中的所有細胞,那麼今天的超級計算機就能模擬出一個哺乳動物腦,不過是在比自然的腦更慢的速度上。

  多個動物大腦已經被完整測繪,一些已能夠被部分模擬。

  秀麗隱杆線蟲(C. elegans)的神經迴路早在1985年即測繪完成,並在1993年實現了部分的模擬模擬。自2004年以來,數個模擬軟體發展了起來,他們能夠模擬秀麗隱杆線蟲的完整神經系統、肌肉系統、甚至是其與物理環境的互動,一部分軟體能夠被自由下載。即使如此,我們如今依然對這個簡單有機體中這些神經元的連線如何產生驚人地複雜的行為缺乏理解。  開放蠕蟲計劃(The OpenWorm Project)——這是一個致力於通過生物逆向工程在電腦中構建出虛擬秀麗隱杆線蟲的開源計劃,他們目前已經作出了能夠重現蠕蟲肌肉運動的軟體。

  果蠅(Drosophila fruit fly)的神經系統也已經被仔細地研究,並在一定程度上得到了模擬。果蠅的全部神經元的連線的完整測繪有望在近幾年內完成。

  2007年,內華達大學的研究組在IBM的“藍色基因”超級計算機上執行了一組被稱為“可以與半個老鼠大腦的複雜度媲美”的人工神經網路。在這項模擬中,一秒的時長需要使用十秒的計算機執行時間。研究者稱,他們見到了流過虛擬皮層的“與生物學一致的”神經衝動。不過,這項模擬缺乏真實老鼠大腦中的結構,目前研究者們正在進一步提高其神經元模型的精確性。  藍色大腦計劃是2005年5月由IBM和瑞士聯邦理工學院發起的一個專案,其目標是從分子層面用電腦模擬出哺乳動物皮層柱(cortical column)。這項計劃在IBM的藍色基因超級計算機的基礎上模擬神經元上突觸的電活動以及內膜電流。這項計劃的初級目標在2006年12月得到實現,他們模擬了一個老鼠的新皮層柱(neocortical column)——它是新皮層(大腦中負責諸如意識這樣的高階功能的部分)的最小功能單元,包含約10000個神經元(和10個突觸)。早在1995年至2005年間,亨利·馬克拉姆(Henry Markram)已經完成了這樣一個皮層柱中神經元型別和連線的測繪。在2007年11月,該計劃的第一階段結束,公佈了對這個新皮層柱的建立、驗證和研究的過程。2012年9月,藍色大腦在PNAS上釋出的論文給出了指導神經連線組形成的關鍵規律。這項計劃的最終目標是揭示人類認知和精神疾病的面貌,理解藥物對神經網路的作用。

  

  “心靈上傳”的概念需要的哲學基礎是:意識蘊含在大腦的資訊處理之中,他的實質是從神經元叢集組成的具有高階模式的網路中產生的湧現現象,並且這樣的現象能夠在其他處理裝置中實現。“心靈上傳”也要求人類的心靈(包括自我意識、記憶等)僅僅是神經元中通過突觸傳遞的電訊號的展現,而不是一個二元論的或神祕主義的靈魂或精神。“心靈”在這裡可以被定義為大腦中資訊的(非物質的)狀態,與一個資料庫中的資訊或是你電腦記憶體中正裝載的軟體是類似的概念。 “心靈上傳”需要神經元網路的資訊狀態可以被獲取、複製並裝載到一個不同的硬體上。這個概念的一個比喻是將一臺電腦儲存空間中的所有資訊複製到另一臺電腦中並繼續執行,這另一臺電腦可能擁有不同的硬體組織但能作出和第一臺電腦一致的資訊處理。  這個想法已有了很長的歷史,在1775年托馬斯·裡德(Thomas Reid)寫道: 許多超人類主義者和奇點主義者寄希望於通過構建一個或多個對他們大腦的複製而擺脫他們的生物學軀體、實現永生。然而,哲學家和超人類主義者蘇珊·施耐德認為這隻會製造一個原先的心靈的複製品。蘇珊·施耐德也認同意識以計算為基礎,但這不意味著我們能夠上傳並存活下去。“上傳”很可能導致原先的人的死亡,僅僅是一個另外的觀察者會認為原先的人依舊活著。其原因是我們無法想象一個人的意識能夠離開我們的大腦並被傳送到一定距離外——其他巨集觀世界的物體都不具有這樣的行為。我們最多隻是得到了一個原先心靈的計算複製品。不過佛教超人類主義者詹姆士·休斯指出,這種顧慮並不重要:如果我們相信自我只是一個幻象,那麼在上傳之時就無須擔心我們能否存活。  心靈上傳的另一個潛在的結局是“上傳”只會構建出一個沒有心靈的活動機器,而不是一個有意識的心靈(見哲學殭屍)。我們能僅僅通過其表現出高度智慧的行為斷言一個上傳品具有意識嗎?我們能確信一個堅稱自己有意識的上傳品具有意識嗎?有沒有一個絕對的運算速度極限,超過它則意識不能存在?意識的神祕性與主觀性不允許我們對這些問題有一個確定的答案。因為意識固有的主觀性(見唯我論),相當多的科學家,包括雷蒙德·庫茨魏爾,相信一個獨立實體的意識是本質上不可知的。與此相反,也有一些科學家,如羅傑·彭羅斯(Roger Penrose),認為意識是一種依賴於基質的量子現象(見量子心靈)。  為化解是否將上傳產物視為有意識的難題,安德斯·桑德伯格(Anders Sandberg)提出了一個構想:  最大認同原則(Principle of assuming the most):我們認同一個模擬系統將與原系統擁有同樣的精神特質並等同視之。 利用外部皮層(exocortex)是另一種可能的心靈上傳的方式,據此一個人的心靈逐步地、分部地從一個衰老的生物學大腦轉移到外部皮層上。

  開發這樣的模擬技術提出了與動物福利、人工意識相關的倫理問題。發展全腦模擬所需的神經科學領域的研究需要做動物實驗,從無脊椎動物、到小型哺乳動物、最後到人類。有時,實驗僅僅需要對動物掃描他們的大腦,但有時活體行為研究和活體測量也是有必要的,這可能給動物帶來痛楚。  不僅如此,在一些對於意識的理解中,模擬的動物也可能承受痛苦。班克羅夫特(Bancroft)指出:  如果一個對大腦足夠精細的計算模擬可以行為上等同於一個有機的大腦,其後果是我們必須考慮擴大倫理的範疇,保護這些模擬動物以免受痛苦的折磨。  發展對於這些虛擬心靈的麻醉術是一個可能的避免痛苦的方法。然而,一些實驗可能要求使用一個全體功能都在運作的模擬動物。模擬動物們也可能為我們的偶然失誤或瞭解不足而承受痛苦。部分大腦的模擬也同樣面臨著道德上的質疑,與此類似的還包括仿照生物學大腦而構建的仿生模型。  模擬大腦可以被病毒或惡意軟體輕易刪除,因為這不再需要對硬體的直接破壞。這會使得謀殺更加容易,攻擊者可能以此而將空出的計算能力據為己有。  模擬品的法律地位有面臨許多問題。他們應被給予生物學人類的權力嗎?如果一個人製作了他自己的模擬複製品再死去,這個模擬品能夠繼承他的財產和官職嗎?模擬品能夠要求終結他那已經重病或昏迷的生物學個體嗎?作為母本的生物學個體是否應當像對待青春期的孩子一樣對待其模擬品,即對其保留部分的控制權?罪犯的模擬品可以被執行死刑嗎,或是通過強制的資料修改使其“重生”?一個上傳者擁有婚姻權與監護權嗎?

  對模擬世界的嚮往也可能會滋生戰爭、不平等、權力更迭,人們競相爭取第一個造出模擬世界,然後在真實世界與模擬世界中採取先發制人的攻擊。模擬世界中也可能蔓延著種族主義、排外、宗教偏見造成的苦難。  如果一個模擬社會的執行速度遠超出人類社會,面臨問題時現實人類可能沒有足夠的時間來作出明智的決定或有效的協商,現實人類可能採取暴力手段對付實力迅速增長的模擬社會。

  英劇《黑鏡》的第三季第四集《聖朱尼佩洛》:看上去劇中的兩位女主角Yorkie和Kelly是在名為“聖朱尼佩洛”的小鎮中相愛,實際上她們的意識位於雲端伺服器中。
心靈上傳(英語:Mind uploading),或稱為意識上傳、全腦模擬(Whole brain emulation),是一種科幻技術,該技術可以把人類腦部的所有東西(包括意識、精神、思想、記憶)上傳至計算裝置(如電腦、量子計算機、人工神經網路)上。該計算裝置將能夠模擬大腦的運作,如原先的大腦對外界輸入作出相應的反應,並擁有一個具備意識的心靈。