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類器官智能,最前沿生物計(jì)算向我們走來
2023-03-01 09:49:44   來源: 科技日?qǐng)?bào)

管人工智能(AI)創(chuàng)造的記錄令人印象深刻,但它的學(xué)習(xí)能力與人腦相比依然相形見絀。現(xiàn)在,科學(xué)家們揭示了一條革命性道路:類器官智能,即以實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的大腦類器官充當(dāng)生物硬件。

AI長(zhǎng)期以來都受人腦的啟發(fā),這種方法被證明是非常成功的,讓AI擁有了從醫(yī)療診斷到詩(shī)歌創(chuàng)作的多方面成就。但毫無疑問,原始模型——人腦目前在許多方面仍然優(yōu)于機(jī)器,那如果不是試圖讓AI更像大腦,而是直接從源頭入手呢?

多領(lǐng)域科學(xué)家正在努力創(chuàng)造新一代生物計(jì)算機(jī),他們?cè)噲D以腦細(xì)胞的三維培養(yǎng)物(大腦類器官)作為生物硬件,并在《科學(xué)前沿》雜志上描述了實(shí)現(xiàn)這一愿景的路線圖。

美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)托馬斯·哈通教授說:“我們稱這個(gè)新的跨學(xué)科領(lǐng)域?yàn)椤惼鞴僦悄堋∣I)。一群頂尖科學(xué)家正聚集在一起開發(fā)這項(xiàng)技術(shù),其將開啟一個(gè)快速、強(qiáng)大和高效的生物計(jì)算新時(shí)代。”

大腦類器官為什么是更好的計(jì)算機(jī)?

大腦類器官是一種誕生于實(shí)驗(yàn)室的細(xì)胞培養(yǎng)物。它不是“迷你大腦”,但它可“共享”大腦功能和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵方面,例如神經(jīng)元和其他腦細(xì)胞。此外,雖然大多數(shù)細(xì)胞培養(yǎng)物是扁平的,但類器官卻具有三維結(jié)構(gòu),這使培養(yǎng)物的細(xì)胞密度增加了一倍,也意味著神經(jīng)元可形成更多的連接。

但人們依然會(huì)問:當(dāng)前的計(jì)算機(jī)不是比大腦更聰明、更快嗎?

哈通解釋說,雖然硅基計(jì)算機(jī)在數(shù)字方面肯定更好,但大腦更擅長(zhǎng)學(xué)習(xí),而且更節(jié)能。例如,訓(xùn)練著名AI“阿爾法狗”所花費(fèi)的能量,超過維持一個(gè)活躍的成年人10年所需的能量。

“大腦還具有驚人的存儲(chǔ)信息的能力。”哈通補(bǔ)充道,“我們正在達(dá)到硅計(jì)算機(jī)的物理極限,因?yàn)槿祟惒荒茉賹⒏嗟木w管封裝到一個(gè)微小的芯片中了。但是大腦的連接完全不同,它有大約100億個(gè)神經(jīng)元通過超千個(gè)點(diǎn)連接起來。與目前的技術(shù)相比,這是一個(gè)巨大的功率差異。”

OI生物計(jì)算機(jī)什么樣?

根據(jù)哈通的說法,目前的大腦類器官需要擴(kuò)大規(guī)模?!八鼈兲×?,每個(gè)包含大約50000個(gè)細(xì)胞。對(duì)于OI,我們需要將這個(gè)數(shù)字增加到10萬?!?/p>

與此同時(shí),研究人員還在開發(fā)與類器官通信的技術(shù)。即向它們發(fā)送信息并讀出它們?cè)凇跋胧裁础薄_@需要采用生物工程和機(jī)器學(xué)習(xí),以及設(shè)計(jì)新的刺激和記錄設(shè)備。

哈通團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種腦機(jī)接口設(shè)備,在去年8月發(fā)表的一篇論文中,這是一個(gè)柔性外殼,密密麻麻地覆蓋著微小的電極,既可從類器官中接收信號(hào),也可向其傳輸信號(hào)。

按科學(xué)家設(shè)想,最終OI將整合廣泛的刺激和記錄工具。它們將類器官網(wǎng)絡(luò)連接、激活、協(xié)調(diào),從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的計(jì)算。

OI可助神經(jīng)系統(tǒng)疾病防治

OI還將超越計(jì)算,進(jìn)入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。由于諾貝爾獎(jiǎng)獲得者約翰·戈登和山中伸彌開發(fā)的突破性技術(shù),大腦類器官可從成人組織中產(chǎn)生。這意味著科學(xué)家可從患有神經(jīng)疾病(如阿爾茨海默?。┑幕颊叩钠つw樣本中開發(fā)個(gè)性化的大腦類器官。以此進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試,調(diào)查遺傳因素、藥物和毒素如何影響這些條件。

哈通舉例稱,科學(xué)家從此可比較健康人和阿爾茨海默病患者的類器官的記憶形成,并嘗試修復(fù)缺陷。

建立“嵌入式倫理”方法

創(chuàng)造能夠?qū)W習(xí)、記憶并與環(huán)境互動(dòng)的人腦類器官的同時(shí),必然面臨復(fù)雜的倫理問題。它們能否發(fā)展意識(shí)?它們會(huì)經(jīng)歷痛苦嗎?科學(xué)界對(duì)由細(xì)胞制成的大腦類器官擁有怎樣的權(quán)利?

研究人員敏銳地意識(shí)到這些問題。哈通表示,要以合乎道德和對(duì)社會(huì)負(fù)責(zé)的方式發(fā)展OI,出于這個(gè)原因,從一開始他們就與倫理學(xué)家合作,建立了“嵌入式倫理”方法。隨著研究的發(fā)展,所有倫理問題都將由科學(xué)家、倫理學(xué)家和公眾組成的團(tuán)隊(duì)不斷進(jìn)行評(píng)估。

離第一個(gè)OI還有多遠(yuǎn)?

盡管OI仍處于起步階段,但科學(xué)家最近發(fā)表的一項(xiàng)研究已提供了概念證明。研究顯示,正常的、扁平的腦細(xì)胞培養(yǎng)物可以學(xué)會(huì)玩電子乒乓游戲。

哈通對(duì)此總結(jié)道,研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在用大腦類器官進(jìn)行測(cè)試,用類器官?gòu)?fù)制這個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)滿足了OI的基本定義。從現(xiàn)在開始,只需建立社區(qū)、工具和技術(shù),人類即可實(shí)現(xiàn)OI的全部潛力。


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