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類器官智能,最前沿生物計算向我們走來

發(fā)布時間:2023-03-01 11:12:00來源: 科技日報

  未來計算機在人腦細胞上運行?

  類器官智能,最前沿生物計算向我們走來

  【科技創(chuàng)新世界潮】

  ◎本報記者 張夢然

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

  AI長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?

  多領域科學家正在努力創(chuàng)造新一代生物計算機,他們試圖以腦細胞的三維培養(yǎng)物(大腦類器官)作為生物硬件,并在《科學前沿》雜志上描述了實現(xiàn)這一愿景的路線圖。

  美國約翰斯·霍普金斯大學托馬斯·哈通教授說:“我們稱這個新的跨學科領域為‘類器官智能’(OI)。一群頂尖科學家正聚集在一起開發(fā)這項技術,其將開啟一個快速、強大和高效的生物計算新時代?!?/p>

  大腦類器官為什么是更好的計算機?

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

  但人們依然會問:當前的計算機不是比大腦更聰明、更快嗎?

  哈通解釋說,雖然硅基計算機在數(shù)字方面肯定更好,但大腦更擅長學習,而且更節(jié)能。例如,訓練著名AI“阿爾法狗”所花費的能量,超過維持一個活躍的成年人10年所需的能量。

  “大腦還具有驚人的存儲信息的能力。”哈通補充道,“我們正在達到硅計算機的物理極限,因為人類不能再將更多的晶體管封裝到一個微小的芯片中了。但是大腦的連接完全不同,它有大約100億個神經(jīng)元通過超千個點連接起來。與目前的技術相比,這是一個巨大的功率差異?!?/p>

  OI生物計算機什么樣?

  根據(jù)哈通的說法,目前的大腦類器官需要擴大規(guī)模?!八鼈兲×?,每個包含大約50000個細胞。對于OI,我們需要將這個數(shù)字增加到10萬?!?/p>

  與此同時,研究人員還在開發(fā)與類器官通信的技術。即向它們發(fā)送信息并讀出它們在“想什么”。這需要采用生物工程和機器學習,以及設計新的刺激和記錄設備。

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

  按科學家設想,最終OI將整合廣泛的刺激和記錄工具。它們將類器官網(wǎng)絡連接、激活、協(xié)調(diào),從而實現(xiàn)更復雜的計算。

  OI可助神經(jīng)系統(tǒng)疾病防治

  OI還將超越計算,進入醫(yī)學領域。由于諾貝爾獎獲得者約翰·戈登和山中伸彌開發(fā)的突破性技術,大腦類器官可從成人組織中產(chǎn)生。這意味著科學家可從患有神經(jīng)疾病(如阿爾茨海默病)的患者的皮膚樣本中開發(fā)個性化的大腦類器官。以此進行多項測試,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,并嘗試修復缺陷。

  建立“嵌入式倫理”方法

  創(chuàng)造能夠?qū)W習、記憶并與環(huán)境互動的人腦類器官的同時,必然面臨復雜的倫理問題。它們能否發(fā)展意識?它們會經(jīng)歷痛苦嗎?科學界對由細胞制成的大腦類器官擁有怎樣的權利?

  研究人員敏銳地意識到這些問題。哈通表示,要以合乎道德和對社會負責的方式發(fā)展OI,出于這個原因,從一開始他們就與倫理學家合作,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家、倫理學家和公眾組成的團隊不斷進行評估。

  離第一個OI還有多遠?

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

  哈通對此總結道,研究團隊已經(jīng)在用大腦類器官進行測試,用類器官復制這個實驗已經(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,人類即可實現(xiàn)OI的全部潛力。(科技日報)

(責編:陳濛濛)

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