AI的盡頭是生物學(xué)？科學(xué)家正用“活體大腦”打造超算

在瑞士日內(nèi)瓦湖畔，科學(xué)家們正嘗試用人類的腦細(xì)胞，去驅(qū)動(dòng)一臺(tái)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

它們不是科幻電影里的“缸中之腦”，而是一簇簇比沙粒還小的活體神經(jīng)元。它們被浸泡在營(yíng)養(yǎng)液中，通過電極接收來(lái)自世界各地的指令，并作出響應(yīng)。

歡迎來(lái)到“生物計(jì)算機(jī)”的奇妙世界。在這里，科學(xué)家們不再滿足于模仿大腦，而是試圖直接“馴養(yǎng)”大腦。他們相信，這項(xiàng)被稱為“濕件”（wetware）的技術(shù)，有朝一日能以一個(gè)燈泡的能耗，爆發(fā)出超越今天任何一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的力量。

夢(mèng)想的種子：為何要用“活”的大腦做計(jì)算？

這一切的起點(diǎn)，源于科學(xué)家們對(duì)一個(gè)完美計(jì)算機(jī)器的向往：它需要擁有超級(jí)計(jì)算機(jī)般強(qiáng)大的算力，但同時(shí)能耗要極低，最好能像我們的大腦一樣節(jié)能。

我們的大腦，這個(gè)重約1.4公斤的器官，運(yùn)行功率不到20瓦，僅僅相當(dāng)于一個(gè)小臺(tái)燈的電量。然而，就在這區(qū)區(qū)20瓦的驅(qū)動(dòng)下，數(shù)十億個(gè)神經(jīng)元每秒鐘能完成百億億次（10^18）級(jí)別的復(fù)雜操作。當(dāng)今世界最頂尖的超級(jí)計(jì)算機(jī)，比如美國(guó)的“前沿”（Frontier），或許能勉強(qiáng)追上這個(gè)速度，但它背后是動(dòng)輒上百萬(wàn)倍的恐怖能耗，足以點(diǎn)亮一個(gè)小型城鎮(zhèn)！

這種效率上的天壤之別，讓計(jì)算機(jī)科學(xué)家們對(duì)大腦的構(gòu)造垂涎欲滴。

于是，兩條主要的探索路徑出現(xiàn)了。一條是“仿照大腦”，也就是研發(fā)“神經(jīng)形態(tài)計(jì)算”芯片，試圖在硅基材料上模仿神經(jīng)元連接和工作的方式。而另一條更為大膽的路徑，就是“直接使用大腦”——生物計(jì)算。既然大腦本身如此完美，何不直接請(qǐng)它“出山”呢？

從零到一：如何“種植”一臺(tái)生物計(jì)算機(jī)？

那么，如何“制造”一臺(tái)生物計(jì)算機(jī)呢？其過程聽起來(lái)就像科幻小說(shuō)。

首先，科學(xué)家們需要原材料——細(xì)胞。他們通常使用一種叫做“誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞”（iPS cells）的神奇細(xì)胞。這種細(xì)胞能被重新編程，變成幾乎任何我們想要的細(xì)胞類型，包括神經(jīng)元。

接著，就是“播種”和“養(yǎng)育”。研究人員在實(shí)驗(yàn)室里，為這些干細(xì)胞提供合適的營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)因子，誘導(dǎo)它們分化成神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞等各種支持細(xì)胞，并讓它們聚集生長(zhǎng)成微小的3D球狀結(jié)構(gòu)，這就是 “腦類器官”（organoids）。

光有“大腦”還不夠，還需要與之“對(duì)話”�？茖W(xué)家們將類器官放置在一個(gè)特制的電極陣列上。這個(gè)陣列就像是一個(gè)微型“鍵盤”和“聽筒”的結(jié)合體：既可以通過電極向細(xì)胞團(tuán)發(fā)送特定模式的電脈沖信號(hào)，也能監(jiān)聽細(xì)胞團(tuán)產(chǎn)生的電活動(dòng)。

當(dāng)電脈沖刺激神經(jīng)元時(shí)，會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)外離子流動(dòng)，可能觸發(fā)一種叫做“動(dòng)作電位”（action potential）的電信號(hào)，這就是神經(jīng)元在“說(shuō)話”。電極捕捉到這些“話語(yǔ)”，再通過復(fù)雜的算法進(jìn)行解讀，最終轉(zhuǎn)換成我們可以理解的信息。

初試啼聲：當(dāng)腦細(xì)胞學(xué)會(huì)“讀”盲文

理論很美妙，但實(shí)際表現(xiàn)如何？來(lái)自英國(guó)布里斯托大學(xué)的機(jī)器人研究員本杰明·沃德·切里爾 （Benjamin Ward-Cherrier）和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一次精彩的“概念驗(yàn)證”。

他們的目標(biāo)是：讓腦類器官“識(shí)別”盲文字母。

他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)精妙的實(shí)驗(yàn)流程：先讓一個(gè)裝有觸覺傳感器的機(jī)器人去觸摸盲文字母，收集數(shù)據(jù)。然后，將每個(gè)字母獨(dú)特的凹凸圖案，轉(zhuǎn)換成獨(dú)一無(wú)二的“電脈沖密碼”。

接下來(lái)，他們將這些“電碼”通過8個(gè)電極，傳遞給一個(gè)由大約1萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元組成的類器官。類器官接收到信號(hào)后，內(nèi)部的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)，電極則負(fù)責(zé)記錄下這片“神經(jīng)元森林”的活動(dòng)。

結(jié)果令人振奮！研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入代表特定字母的電脈沖時(shí)，單個(gè)類器官平均有61%的概率能穩(wěn)定地給出相同的響應(yīng)。如果把三個(gè)類器官的“意見”綜合起來(lái)，準(zhǔn)確率更是能提升到83%！這意味著，這些小小的細(xì)胞團(tuán)確實(shí)具備了初步的信息處理能力——它們能區(qū)分不同的輸入信號(hào)。

盡管這還遠(yuǎn)不及真正的閱讀，但這無(wú)疑是堅(jiān)實(shí)的第一步。比如，未來(lái)或許能讓類器官直接指揮機(jī)器人行動(dòng)，形成一個(gè)完整的“閉環(huán)系統(tǒng)”。盡管基于人腦類器官的閉環(huán)系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)，但2024年的一項(xiàng)研究報(bào)告稱，一個(gè)由小鼠神經(jīng)元類器官構(gòu)成的類似系統(tǒng)，已經(jīng)可以玩名為Cartpole的電腦游戲。

學(xué)習(xí)的藝術(shù)：如何“訓(xùn)練”一團(tuán)會(huì)打游戲的神經(jīng)元？

要讓生物計(jì)算機(jī)變得有用，關(guān)鍵在于讓它們能夠“學(xué)習(xí)”。目前，這些實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的腦細(xì)胞反應(yīng)，更多像是一種條件反射，而非大腦中那種可塑的決策過程。

如何教會(huì)它們更復(fù)雜的技能呢？科學(xué)家們想出了各種辦法。

一種思路是使用神經(jīng)遞質(zhì)，比如多巴胺，作為一種獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。當(dāng)類器官對(duì)某個(gè)刺激做出期望的反應(yīng)時(shí)，就給它一點(diǎn)多巴胺，這會(huì)強(qiáng)化相關(guān)的神經(jīng)連接，讓它下次更傾向于做出同樣的反應(yīng)。

另一種更直接的方法來(lái)自澳大利亞墨爾本的Cortical Labs公司，他們?cè)?022年做了一項(xiàng)轟動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)：讓培養(yǎng)皿中的腦細(xì)胞學(xué)會(huì)了玩經(jīng)典的電子游戲《Pong》！

他們用的不是類器官，而是平鋪在培養(yǎng)皿中的二維神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。研究人員將它們連接到電腦上，屏幕上一側(cè)是神經(jīng)元控制的虛擬球拍，另一側(cè)是來(lái)回彈跳的球。

訓(xùn)練過程充滿智慧：

·如果神經(jīng)元控制的球拍成功擋回了球，研究人員就會(huì)給它們一個(gè)“獎(jiǎng)勵(lì)”——一陣有序、規(guī)律的電脈沖。

·如果它們讓球漏了過去，就會(huì)得到一個(gè)“懲罰”——一陣混亂、令人不快的白噪聲。

久而久之，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)竟然“學(xué)會(huì)”了如何移動(dòng)球拍去擊中球，因?yàn)樗�“喜歡”規(guī)律的電信號(hào)，討厭嘈雜的噪音。這背后的原理是，腦細(xì)胞天生傾向于重復(fù)那些能帶來(lái)可預(yù)測(cè)結(jié)果的行為。

爭(zhēng)議與警醒：“缸中之腦”的倫理邊界

然而，隨著這項(xiàng)技術(shù)逐漸進(jìn)入公眾視野，爭(zhēng)議也隨之而來(lái)。

Cortical Labs的首席科學(xué)官布雷特·卡根（Brett Kagan）就曾因在2022年那篇《Pong》論文的標(biāo)題中使用了“感知力”（sentience）一詞而引發(fā)軒然大波。約三十位同行聯(lián)名批評(píng)，認(rèn)為用這樣的詞語(yǔ)描述一個(gè)簡(jiǎn)單的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)是“不合適的，也數(shù)據(jù)無(wú)法支撐”，這種過度炒作可能會(huì)讓整個(gè)領(lǐng)域面臨被嚴(yán)格監(jiān)管甚至禁止的“不必要的風(fēng)險(xiǎn)”。

劍橋大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家瑪?shù)铝铡ぬm開斯特（Madeline Lancaster）對(duì)此深感擔(dān)憂。她強(qiáng)調(diào)：“一團(tuán)神經(jīng)元不是大腦。它不會(huì)思考。它不可能思考�！彼龘�(dān)心，如果媒體和公眾將這些細(xì)胞團(tuán)與“意識(shí)”、“思考”甚至“缸中之-腦”聯(lián)系起來(lái)，可能會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的倫理反彈，從而導(dǎo)致過于嚴(yán)苛的法規(guī)出臺(tái)，殃及那些利用類器官進(jìn)行基礎(chǔ)腦科學(xué)和疾病研究的合規(guī)科學(xué)家們。

此外，她也對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)提出了質(zhì)疑。她指出，有研究表明，甚至一種完全不含神經(jīng)元的非生物水凝膠，也能表現(xiàn)出類似“學(xué)習(xí)”玩《Pong》的行為。在她看來(lái)，在這些簡(jiǎn)單系統(tǒng)中，我們看到的所謂“學(xué)習(xí)”，很可能只是一種系統(tǒng)對(duì)反饋產(chǎn)生的適應(yīng)性反應(yīng)，而非真正的智能計(jì)算。

尾聲：是星辰大海，還是空中樓閣？

盡管爭(zhēng)議重重，挑戰(zhàn)巨大，但先驅(qū)者們依然滿懷熱情。從學(xué)習(xí)玩游戲、到識(shí)別文字的初步嘗試，生物計(jì)算的道路才剛剛開始。

它究竟是通往節(jié)能超算的星辰大海，還是最終被證明是難以企及的空中樓閣？答案，或許就藏在科學(xué)家們?nèi)諒?fù)一日精心培育的那些微小而充滿活力的“細(xì)胞宇宙”之中。這場(chǎng)探索，不僅關(guān)乎技術(shù)，更關(guān)乎我們對(duì)生命、智能和意識(shí)本質(zhì)的理解。（劉春）