文|創(chuàng)瞰巴黎 Agnès Vernet
編輯|Meister Xia
導(dǎo)讀
人類大腦是自然界中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一，它的工作原理仍然是科學(xué)界的一個(gè)巨大謎團(tuán)。如果我們能夠利用生物材料和技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)能夠模仿人類大腦的計(jì)算機(jī)，那么我們就有可能揭開這個(gè)謎團(tuán)，同時(shí)也為計(jì)算機(jī)科學(xué)和醫(yī)學(xué)帶來革命性的變化。這就是生物計(jì)算機(jī)的概念，它是一種利用神經(jīng)元和腦組織構(gòu)建的能夠模仿人類大腦結(jié)構(gòu)和主要功能的3D培養(yǎng)物。生物計(jì)算機(jī)是否能夠超越人類大腦的能力？它們是否擁有自我意識(shí)和情感？
一覽：
生物計(jì)算機(jī)（又稱迷你大腦）由體外培養(yǎng)的三維大腦組織和神經(jīng)元構(gòu)成，能模擬了人類大腦的部分結(jié)構(gòu)和主要功能。
這項(xiàng)技術(shù)有望兼具前沿電子計(jì)算機(jī)的性能和人腦的節(jié)能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)兩種系統(tǒng)的“優(yōu)勢互補(bǔ)”。
將來“生物計(jì)算機(jī)”可能成為科研的無價(jià)之寶，特別為某些疾病的研究提供了很好的工具。
類器官智能（Organoid Intelligence，簡稱OI）的未來發(fā)展，與電生理學(xué)、人工智能和類大腦器官三個(gè)領(lǐng)域的突破密不可分。
神經(jīng)科學(xué)的進(jìn)步為基礎(chǔ)研究和人類疾病研究開辟了新途徑，也為使用神經(jīng)元、腦組織為元件的“生物計(jì)算機(jī)”創(chuàng)造了無限可能。生物計(jì)算機(jī)也稱為迷你大腦，其本質(zhì)是體外人工培養(yǎng)的大腦組織形成的三維結(jié)構(gòu)體。以生物計(jì)算機(jī)為代表的類器官智能（Organoid Intelligence，簡稱OI，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）已初具雛形，下一場計(jì)算革命蓄勢待發(fā)。
在此，有必要明確類器官智能（OI）和人工智能（AI）的差別。人工智能并不是人類智能的復(fù)刻，其“思維方式”與人腦完全不同，看看AI下棋就知道了：它犧牲的棋子遠(yuǎn)多于正常人類棋手[1]。另外，AI的能耗極大。2022年6月，位于美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Frontier超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了每秒執(zhí)行1.1×1018次運(yùn)算的性能，但這也才剛達(dá)到人腦的水平。人腦正常運(yùn)轉(zhuǎn)只需要20瓦的功率，而Frontier則需要10兆瓦！
01 OI的三大技術(shù)基礎(chǔ)
未來的OI有望兼具前沿電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算性能和人腦的節(jié)能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)兩種系統(tǒng)的“優(yōu)勢互補(bǔ)”。OI的發(fā)展，與電生理學(xué)、人工智能和類大腦器官三個(gè)領(lǐng)域的突破密不可分。
“生物計(jì)算機(jī)研發(fā)仍處于初級(jí)階段?！?/p>
電生理學(xué)技術(shù)是外界與類大腦器官傳輸信息的基礎(chǔ)。難點(diǎn)在于，小小的一塊腦組織每秒會(huì)發(fā)出多種電化學(xué)信號(hào)，怎么才能找到一種非侵入性系統(tǒng)接受這些信號(hào)呢？美國有些高校學(xué)者認(rèn)為可以使用籠形電極[2]，作為一種初步解決方案。此外，監(jiān)測類大腦器官的發(fā)育情況離不開先進(jìn)的電極技術(shù)。通過分析組織的電信號(hào)，可以判斷體外培養(yǎng)的類大腦器官是否成功發(fā)育出三維結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的功能，還可以評(píng)估神經(jīng)組織是否正常運(yùn)作，腦組織機(jī)制是否正常釋放復(fù)雜電化學(xué)信號(hào)。類腦組織的記憶功能有賴于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的重組以及其他腦細(xì)胞的協(xié)同作用，例如構(gòu)成大腦免疫系統(tǒng)的小膠質(zhì)細(xì)胞等。為了確保類器官智能能夠全面發(fā)育，需要不斷監(jiān)測上述因素。
AI對(duì)OI技術(shù)的發(fā)展也至關(guān)重要。類大腦組織會(huì)生成大量空間化和結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。最新的AI算法技術(shù)能解讀這些數(shù)據(jù)，從而判斷生物計(jì)算機(jī)的潛力。
OI所需要的第三項(xiàng)技術(shù)是較大規(guī)模培育體系技術(shù)，但尚不成熟。目前，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的最大的類腦組織只有幾毫米，包含1.5萬個(gè)神經(jīng)元。神經(jīng)元最怕缺氧，必須利用類似血流循環(huán)的系統(tǒng)為組織不斷灌輸氧和養(yǎng)分，才能保證更大的組織的存活。雖然現(xiàn)在有微流控技術(shù)，但從未應(yīng)用到類大腦器官上。如果成功，我們就能實(shí)現(xiàn)蠅腦尺寸到鼠腦尺寸的跨越了。
02 應(yīng)用場景：基礎(chǔ)研究
生物計(jì)算系統(tǒng)會(huì)取代目前的電腦嗎？至少在短期內(nèi)不會(huì)。直到2019年，兩個(gè)類大腦器官才剛剛實(shí)現(xiàn)信息互換，由一支日本的科研團(tuán)隊(duì)完成[3]。不過，現(xiàn)在各地生物計(jì)算的課題組數(shù)不勝數(shù)，也許突破會(huì)來得比預(yù)料中更快。未來第一代OI系統(tǒng)有望成為神經(jīng)科學(xué)研究的工具，可以作為一種模型，用于探索人類大腦如何處理不完整信息等課題。
OI系統(tǒng)還可以用于研究老年癡呆癥、阿斯伯格綜合癥或其他常見人類大腦疾病的機(jī)制。目前很難針對(duì)這些疾病建立可行的實(shí)驗(yàn)室模型。出于倫理道德的要求，實(shí)驗(yàn)室不能研究會(huì)破壞人類記憶的物質(zhì)，但有了類大腦器官，這樣的實(shí)驗(yàn)就有了開展的空間。
OI本身也蘊(yùn)含倫理問題：某些類型的類大腦組織是否能感知疼痛？該使用什么樣的標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估體外培養(yǎng)組織的智力？這些問題必須在發(fā)生之前有所準(zhǔn)備。2022年，來自世界各地的學(xué)者在“構(gòu)建OI社群”第一屆器官類智能研討會(huì)上發(fā)表了《關(guān)于類器官智能的巴爾的摩聲明》[4]，承諾將隨著技術(shù)的發(fā)展同步考慮相關(guān)的倫理道德問題。綜合而言，生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展尚處于起步階段，其許多方面值得我們深思。