盡管人工智能有令人印象深刻的記錄，但其計(jì)算能力與人腦相比卻相形見(jiàn)絀。現(xiàn)在，科學(xué)家們揭開(kāi)了一條推動(dòng)計(jì)算發(fā)展的革命性道路：類器官智能，實(shí)驗(yàn)室培育的大腦類器官充當(dāng)生物硬件。

“未來(lái)，計(jì)算機(jī)能靠人腦細(xì)胞運(yùn)行嗎？”這一問(wèn)題看似“腦洞大開(kāi)”，但美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)的研究人員正在摸索答案，并于近日公布了相關(guān)計(jì)劃。

他們認(rèn)為，類器官智能技術(shù)（OI）具有實(shí)際的應(yīng)用前景，甚至有望比人工智能更強(qiáng)大。不過(guò)，這項(xiàng)研究仍處于起步階段，預(yù)計(jì)還需要數(shù)十年才可進(jìn)入動(dòng)物試驗(yàn)階段，此外還需應(yīng)對(duì)倫理挑戰(zhàn)。

筆尖大的類器官智能是如何實(shí)現(xiàn)的？

最近大火的ChatGPT讓人們切身意識(shí)到，機(jī)器可以表現(xiàn)出與人類相似的智能行為。在一些領(lǐng)域，機(jī)器甚至已經(jīng)超越人類。例如在2016年，電子計(jì)算機(jī)程序AlphaGo擊敗了圍棋世界冠軍李世石。

但不可否認(rèn)的是，在許多領(lǐng)域，人工智能仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上人類智能。例如，人類可以立即分辨出貓和狗，但機(jī)器卻不行。一些網(wǎng)站由此采用“圖靈測(cè)試”來(lái)驗(yàn)證用戶是人類還是機(jī)器。在情感認(rèn)知等方面，人類大腦具有難以比擬的能力，這與大腦在進(jìn)化時(shí)形成的大量神經(jīng)元有關(guān)。

因此，能否復(fù)制這種能力，成了科研人員關(guān)心的話題。這其中就包括美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)的托馬斯·哈通教授。他認(rèn)為，計(jì)算和人工智能一直在推動(dòng)技術(shù)革命，但也正在到達(dá)極限。而生物計(jì)算在提升效率等方面具有不俗潛力。

哈通和自己的同事構(gòu)想，以類腦器官為“硬件”，有望開(kāi)發(fā)出“生物計(jì)算機(jī)”。他們于近日將這項(xiàng)研究計(jì)劃發(fā)表在《科學(xué)前沿》期刊上，涉及生物工程和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。

所謂“類器官”是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培育的、與某種器官功能類似的組織，通常源于干細(xì)胞。多年來(lái)，科學(xué)家以此作為腎臟、肺和其他器官的替代品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而避免對(duì)人體或動(dòng)物造成傷害。

“類腦器官”指的便是一種筆尖大小的細(xì)胞培養(yǎng)物，其中存在具有類器官功能的神經(jīng)元。之所以能夠提取這種細(xì)胞，得益于干細(xì)胞研究先驅(qū)約翰·戈登和山中伸彌的一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究成果——從皮膚等發(fā)育完全的組織中提取細(xì)胞的能力。

在此基礎(chǔ)上，哈通將“類腦智能”定義為“在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)的人腦模型中再現(xiàn)認(rèn)知功能，如學(xué)習(xí)和感覺(jué)處理”?！邦惸X智能”也被稱為“實(shí)驗(yàn)器皿中的智能”。

這項(xiàng)研究還需解決的一個(gè)問(wèn)題，是如何與“類腦器官”溝通，以便向它們發(fā)送信息，并接收其正在“思考”的讀數(shù)。“我們開(kāi)發(fā)了一種腦機(jī)接口設(shè)備?！惫ㄕf(shuō)，相當(dāng)于利用這個(gè)密集覆蓋微小電極的設(shè)備給“類腦器官”描繪腦電圖。

Thomas Hartung教授團(tuán)隊(duì)研究的“類器官智能”屬于一種三維細(xì)胞培養(yǎng)物，具備一些器官的關(guān)鍵特性，可以理解為真正器官的“青春mini”版。

這項(xiàng)研究的核心是培養(yǎng)類腦器官?！邦惸X器官”指的是一種筆尖大小的細(xì)胞培養(yǎng)物，其中存在具有類器官功能的神經(jīng)元。之所以能夠提取這種細(xì)胞，得益于干細(xì)胞研究先驅(qū)約翰·戈登和山中伸彌的一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究成果——從皮膚等發(fā)育完全的組織中提取細(xì)胞的能力。

在此基礎(chǔ)上，Thomas Hartung教授將“類腦智能”定義為“在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)的人腦模型中再現(xiàn)認(rèn)知功能，如學(xué)習(xí)和感覺(jué)處理”?！邦惸X智能”也被稱為“實(shí)驗(yàn)器皿中的智能”。

大多數(shù)細(xì)胞培養(yǎng)物是扁平的，而在這項(xiàng)研究中，類器官將其三維化，并因此使培養(yǎng)物的細(xì)胞密度增加了 1000 倍，進(jìn)而允許神經(jīng)元形成更多的連接，進(jìn)行更復(fù)雜的信息處理和計(jì)算。

該研究首先要通過(guò)微流控灌注系統(tǒng)模擬真實(shí)大腦的結(jié)構(gòu)和培養(yǎng)環(huán)境。人腦的復(fù)雜結(jié)構(gòu)很大一部分得益于致密、豐富的脈管系統(tǒng)。

其次，這項(xiàng)技術(shù)還需解決如何與“類腦器官”溝通的問(wèn)題。該研究團(tuán)隊(duì)稱目前開(kāi)發(fā)了一種腦機(jī)接口設(shè)備——“類器官腦電圖帽”的裝置，它是一個(gè)密密麻麻地覆蓋著微小電極的柔性外殼，通過(guò)它可以實(shí)現(xiàn)向類器官傳輸和接收信號(hào)。

由類器官智能推動(dòng)實(shí)現(xiàn)的生物計(jì)算機(jī)的硬件就是由上千萬(wàn)個(gè)腦細(xì)胞三維培養(yǎng)物組成的“類腦細(xì)胞陣列”，這些類腦細(xì)胞與傳感器和輸出設(shè)備相連接，并通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)進(jìn)行訓(xùn)練。

也就是說(shuō)，類器官智能計(jì)劃至少包括四方面內(nèi)容：通過(guò)人類干細(xì)胞技術(shù)和生物工程的進(jìn)步來(lái)重建大腦架構(gòu)，并對(duì)其認(rèn)知能力潛力進(jìn)行建模；通過(guò)接口方面的突破，讓人們能夠向類器官傳遞輸入信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)，并采用反饋機(jī)制來(lái)模擬學(xué)習(xí)過(guò)程；通過(guò)新穎的機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)，讓人們能夠了解大腦類器官；在類器官智能的開(kāi)發(fā)過(guò)程中討論出一個(gè)公認(rèn)的倫理框架。

最終類器官智能技術(shù)將整合不同的刺激和記錄工具，以及類器官網(wǎng)絡(luò)的交互，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的計(jì)算。

具有多重意義

類器官智能技術(shù)似乎已經(jīng)取得進(jìn)展。去年10月，澳大利亞墨爾本腦皮層實(shí)驗(yàn)室的首席科學(xué)官布雷特·卡根等人發(fā)布研究成果說(shuō)，培養(yǎng)皿中的腦細(xì)胞可以“玩”一款名為“pong”的簡(jiǎn)單電子游戲。他們能夠證明“神經(jīng)元可以目標(biāo)為導(dǎo)向的方式，實(shí)時(shí)地使活動(dòng)適應(yīng)不斷變化的環(huán)境”。哈通說(shuō)，這項(xiàng)研究有助于挖掘類器官智能技術(shù)的更多潛力。

若能實(shí)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)或給人類生活帶來(lái)較大影響。首先，相關(guān)研究有望為人們提供對(duì)大腦更深入的了解?！斑@為研究人類大腦的運(yùn)作方式打開(kāi)了大門(mén)?！惫ㄕf(shuō)，甚至可以進(jìn)行一些此前由于道德倫理約束而無(wú)法對(duì)人腦進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

約翰斯·霍普金斯大學(xué)的研究員莉娜·斯米爾諾娃還表示，若能獲得普通人和自閉癥患者捐贈(zèng)的細(xì)胞，從而對(duì)其“類腦器官”進(jìn)行比較研究，可能有助于人們進(jìn)一步了解這種疾病。研究對(duì)象的范圍還可能擴(kuò)大至阿爾茨海默病等疾病，并檢驗(yàn)相應(yīng)治療藥物的效果。

此外，這種“生物計(jì)算機(jī)”有望比目前的超級(jí)計(jì)算機(jī)更節(jié)能。例如，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室造價(jià)6億美元的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”重達(dá)3629公斤。哈通說(shuō)，這臺(tái)機(jī)器的計(jì)算能力已超越單個(gè)人腦的計(jì)算能力，但它消耗的能量是人腦的100萬(wàn)倍。

研究仍處起步階段

不過(guò)，類器官智能技術(shù)要落地仍面臨不少挑戰(zhàn)。一方面，相關(guān)研究仍處于起步階段。哈通說(shuō)，要想利用老鼠的腦力研發(fā)出可與計(jì)算機(jī)媲美的類器官智能技術(shù)可能需要幾十年的時(shí)間。

研究范圍也有待擴(kuò)大。據(jù)悉，目前每個(gè)“類腦器官”中的細(xì)胞數(shù)量?jī)H與果蠅神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞數(shù)量相當(dāng)。哈通說(shuō)，目前，每個(gè)器官大約包含5萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，規(guī)模仍然太小?！拔覀冃枰獙⑦@個(gè)數(shù)字增加到1000萬(wàn)?！?/p>

科技倫理問(wèn)題不容忽視

另一方面，這個(gè)雄心勃勃的項(xiàng)目背后，存在著不容忽視的倫理問(wèn)題，例如“類腦器官”能否感知外部環(huán)境，會(huì)否產(chǎn)生意識(shí)、實(shí)現(xiàn)思考，以及細(xì)胞捐贈(zèng)者具有哪些權(quán)利等等。

Thomas Hartung教授表示，目前已建立一種“嵌入式倫理”方法，這些科學(xué)倫理問(wèn)題都將由科學(xué)家、倫理學(xué)家和公眾組成的團(tuán)隊(duì)持續(xù)評(píng)估。

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的教授加里·米勒也于近日表示，鑒于類器官智能技術(shù)在感知等方面的潛力，需及時(shí)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)可能產(chǎn)生的社會(huì)影響進(jìn)行評(píng)估，并采取應(yīng)對(duì)措施。

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