来源：博观科技日期：2023-03-09 18:03:27
尽管人工智能有令人印象深刻的记录，但其计算能力与人脑相比却相形见绌。现在，科学家们揭开了一条推动计算发展的革命性道路：类器官智能，实验室培育的大脑类器官充当生物硬件。
“未来，计算机能靠人脑细胞运行吗？”这一问题看似“脑洞大开”，但美国约翰斯·霍普金斯大学的研究人员正在摸索答案，并于近日公布了相关计划。
他们认为，类器官智能技术（OI）具有实际的应用前景，甚至有望比人工智能更强大。不过，这项研究仍处于起步阶段，预计还需要数十年才可进入动物试验阶段，此外还需应对伦理挑战。
笔尖大的类器官智能是如何实现的？
最近大火的ChatGPT让人们切身意识到，机器可以表现出与人类相似的智能行为。在一些领域，机器甚至已经超越人类。例如在2016年，电子计算机程序AlphaGo击败了围棋世界冠军李世石。
但不可否认的是，在许多领域，人工智能仍远远比不上人类智能。例如，人类可以立即分辨出猫和狗，但机器却不行。一些网站由此采用“图灵测试”来验证用户是人类还是机器。在情感认知等方面，人类大脑具有难以比拟的能力，这与大脑在进化时形成的大量神经元有关。
因此，能否复制这种能力，成了科研人员关心的话题。这其中就包括美国约翰斯·霍普金斯大学的托马斯·哈通教授。他认为，计算和人工智能一直在推动技术革命，但也正在到达极限。而生物计算在提升效率等方面具有不俗潜力。
哈通和自己的同事构想，以类脑器官为“硬件”，有望开发出“生物计算机”。他们于近日将这项研究计划发表在《科学前沿》期刊上，涉及生物工程和机器学习等领域。
所谓“类器官”是在实验室内培育的、与某种器官功能类似的组织，通常源于干细胞。多年来，科学家以此作为肾脏、肺和其他器官的替代品进行实验，从而避免对人体或动物造成伤害。
“类脑器官”指的便是一种笔尖大小的细胞培养物，其中存在具有类器官功能的神经元。之所以能够提取这种细胞，得益于干细胞研究先驱约翰·戈登和山中伸弥的一项开创性研究成果——从皮肤等发育完全的组织中提取细胞的能力。
在此基础上，哈通将“类脑智能”定义为“在实验室内培养的人脑模型中再现认知功能，如学习和感觉处理”。“类脑智能”也被称为“实验器皿中的智能”。
这项研究还需解决的一个问题，是如何与“类脑器官”沟通，以便向它们发送信息，并接收其正在“思考”的读数。“我们开发了一种脑机接口设备。”哈通说，相当于利用这个密集覆盖微小电极的设备给“类脑器官”描绘脑电图。
Thomas Hartung教授团队研究的“类器官智能”属于一种三维细胞培养物，具备一些器官的关键特性，可以理解为真正器官的“青春mini”版。
这项研究的核心是培养类脑器官。“类脑器官”指的是一种笔尖大小的细胞培养物，其中存在具有类器官功能的神经元。之所以能够提取这种细胞，得益于干细胞研究先驱约翰·戈登和山中伸弥的一项开创性研究成果——从皮肤等发育完全的组织中提取细胞的能力。
在此基础上，Thomas Hartung教授将“类脑智能”定义为“在实验室内培养的人脑模型中再现认知功能，如学习和感觉处理”。“类脑智能”也被称为“实验器皿中的智能”。
大多数细胞培养物是扁平的，而在这项研究中，类器官将其三维化，并因此使培养物的细胞密度增加了 1000 倍，进而允许神经元形成更多的连接，进行更复杂的信息处理和计算。
该研究首先要通过微流控灌注系统模拟真实大脑的结构和培养环境。人脑的复杂结构很大一部分得益于致密、丰富的脉管系统。
其次，这项技术还需解决如何与“类脑器官”沟通的问题。该研究团队称目前开发了一种脑机接口设备——“类器官脑电图帽”的装置，它是一个密密麻麻地覆盖着微小电极的柔性外壳，通过它可以实现向类器官传输和接收信号。
由类器官智能推动实现的生物计算机的硬件就是由上千万个脑细胞三维培养物组成的“类脑细胞阵列”，这些类脑细胞与传感器和输出设备相连接，并通过机器学习、大数据分析等技术进行训练。
也就是说，类器官智能计划至少包括四方面内容：通过人类干细胞技术和生物工程的进步来重建大脑架构，并对其认知能力潜力进行建模；通过接口方面的突破，让人们能够向类器官传递输入信号，测量输出信号，并采用反馈机制来模拟学习过程；通过新颖的机器学习、大数据和AI技术，让人们能够了解大脑类器官；在类器官智能的开发过程中讨论出一个公认的伦理框架。
最终类器官智能技术将整合不同的刺激和记录工具，以及类器官网络的交互，以实现更复杂的计算。
具有多重意义
类器官智能技术似乎已经取得进展。去年10月，澳大利亚墨尔本脑皮层实验室的首席科学官布雷特·卡根等人发布研究成果说，培养皿中的脑细胞可以“玩”一款名为“pong”的简单电子游戏。他们能够证明“神经元可以目标为导向的方式，实时地使活动适应不断变化的环境”。哈通说，这项研究有助于挖掘类器官智能技术的更多潜力。
若能实现，这项技术或给人类生活带来较大影响。首先，相关研究有望为人们提供对大脑更深入的了解。“这为研究人类大脑的运作方式打开了大门。”哈通说，甚至可以进行一些此前由于道德伦理约束而无法对人脑进行的实验。
约翰斯·霍普金斯大学的研究员莉娜·斯米尔诺娃还表示，若能获得普通人和自闭症患者捐赠的细胞，从而对其“类脑器官”进行比较研究，可能有助于人们进一步了解这种疾病。研究对象的范围还可能扩大至阿尔茨海默病等疾病，并检验相应治疗药物的效果。
此外，这种“生物计算机”有望比目前的超级计算机更节能。例如，美国橡树岭国家实验室造价6亿美元的超级计算机“前沿”重达3629公斤。哈通说，这台机器的计算能力已超越单个人脑的计算能力，但它消耗的能量是人脑的100万倍。
研究仍处起步阶段
不过，类器官智能技术要落地仍面临不少挑战。一方面，相关研究仍处于起步阶段。哈通说，要想利用老鼠的脑力研发出可与计算机媲美的类器官智能技术可能需要几十年的时间。
研究范围也有待扩大。据悉，目前每个“类脑器官”中的细胞数量仅与果蝇神经系统的细胞数量相当。哈通说，目前，每个器官大约包含5万个细胞，规模仍然太小。“我们需要将这个数字增加到1000万。”
科技伦理问题不容忽视
另一方面，这个雄心勃勃的项目背后，存在着不容忽视的伦理问题，例如“类脑器官”能否感知外部环境，会否产生意识、实现思考，以及细胞捐赠者具有哪些权利等等。
Thomas Hartung教授表示，目前已建立一种“嵌入式伦理”方法，这些科学伦理问题都将由科学家、伦理学家和公众组成的团队持续评估。
美国哥伦比亚大学的教授加里·米勒也于近日表示，鉴于类器官智能技术在感知等方面的潜力，需及时对这项技术可能产生的社会影响进行评估，并采取应对措施。
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