未来计算机在人脑细胞上运行？类器官智能，最前沿生物计算向我们走来
发布时间： 2023-03-08 09:58:20 点击量：
实验室培养的大脑类器官的放大图像，具有针对不同细胞类型的荧光标记。（粉红色—神经元；红色—少突胶质细胞；绿色—星形胶质细胞；蓝色—所有细胞核）。图片来源：托马斯·哈通/约翰斯·霍普金斯大学
尽管人工智能（AI）创造的记录令人印象深刻，但它的学习能力与人脑相比依然相形见绌。现在，科学家们揭示了一条革命性道路：类器官智能，即以实验室培养的大脑类器官充当生物硬件。
AI长期以来都受人脑的启发，这种方法被证明是非常成功的，让AI拥有了从医疗诊断到诗歌创作的多方面成就。但毫无疑问，原始模型——人脑目前在许多方面仍然优于机器，那如果不是试图让AI更像大脑，而是直接从源头入手呢？
多领域科学家正在努力创造新一代生物计算机，他们试图以脑细胞的三维培养物（大脑类器官）作为生物硬件，并在《科学前沿》杂志上描述了实现这一愿景的路线图。
美国约翰斯·霍普金斯大学托马斯·哈通教授说：“我们称这个新的跨学科领域为‘类器官智能’（OI）。一群顶尖科学家正聚集在一起开发这项技术，其将开启一个快速、强大和高效的生物计算新时代。”
大脑类器官为什么是更好的计算机？
大脑类器官是一种诞生于实验室的细胞培养物。它不是“迷你大脑”，但它可“共享”大脑功能和结构的关键方面，例如神经元和其他脑细胞。此外，虽然大多数细胞培养物是扁平的，但类器官却具有三维结构，这使培养物的细胞密度增加了一倍，也意味着神经元可形成更多的连接。
但人们依然会问：当前的计算机不是比大脑更聪明、更快吗？
哈通解释说，虽然硅基计算机在数字方面肯定更好，但大脑更擅长学习，而且更节能。例如，训练著名AI“阿尔法狗”所花费的能量，超过维持一个活跃的成年人10年所需的能量。
“大脑还具有惊人的存储信息的能力。”哈通补充道，“我们正在达到硅计算机的物理极限，因为人类不能再将更多的晶体管封装到一个微小的芯片中了。但是大脑的连接完全不同，它有大约100亿个神经元通过超千个点连接起来。与目前的技术相比，这是一个巨大的功率差异。”
OI生物计算机什么样？
根据哈通的说法，目前的大脑类器官需要扩大规模。“它们太小了，每个包含大约50000个细胞。对于OI，我们需要将这个数字增加到10万。”
与此同时，研究人员还在开发与类器官通信的技术。即向它们发送信息并读出它们在“想什么”。这需要采用生物工程和机器学习，以及设计新的刺激和记录设备。
哈通团队还开发了一种脑机接口设备，在去年8月发表的一篇论文中，这是一个柔性外壳，密密麻麻地覆盖着微小的电极，既可从类器官中接收信号，也可向其传输信号。
按科学家设想，最终OI将整合广泛的刺激和记录工具。它们将类器官网络连接、激活、协调，从而实现更复杂的计算。
OI可助神经系统疾病防治
OI还将超越计算，进入医学领域。由于诺贝尔奖获得者约翰·戈登和山中伸弥开发的突破性技术，大脑类器官可从成人组织中产生。这意味着科学家可从患有神经疾病（如阿尔茨海默病）的患者的皮肤样本中开发个性化的大脑类器官。以此进行多项测试，调查遗传因素、药物和毒素如何影响这些条件。
哈通举例称，科学家从此可比较健康人和阿尔茨海默病患者的类器官的记忆形成，并尝试修复缺陷。
建立“嵌入式伦理”方法
创造能够学习、记忆并与环境互动的人脑类器官的同时，必然面临复杂的伦理问题。它们能否发展意识？它们会经历痛苦吗？科学界对由细胞制成的大脑类器官拥有怎样的权利？
研究人员敏锐地意识到这些问题。哈通表示，要以合乎道德和对社会负责的方式发展OI，出于这个原因，从一开始他们就与伦理学家合作，建立了“嵌入式伦理”方法。随着研究的发展，所有伦理问题都将由科学家、伦理学家和公众组成的团队不断进行评估。
离第一个OI还有多远？
尽管OI仍处于起步阶段，但科学家最近发表的一项研究已提供了概念证明。研究显示，正常的、扁平的脑细胞培养物可以学会玩电子乒乓游戏。
哈通对此总结道，研究团队已经在用大脑类器官进行测试，用类器官复制这个实验已经满足了OI的基本定义。从现在开始，只需建立社区、工具和技术，人类即可实现OI的全部潜力。
来源: 科技日报 作者: 张梦然
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