让计算机靠脑细胞运行 类器官智能有多“疯狂”？

“未来，计算机能靠人脑细胞运行吗？”这一问题看似像“脑洞大开”的科幻小说，但美国约翰斯·霍普金斯大学的研究团队通过正在着手研究的类器官智能技术（OI），就有可能帮助实现这一畅想。

类器官智能技术具有实际的应用前景，有望比人工智能更强大，甚至重塑现代计算机的未来。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，此外还需应对科学伦理挑战。

脑类器官的细胞染色照片，来自美国约翰·霍普金斯大学Thomas Hartung实验室。

类器官智能究竟是啥？

► 用“人脑”补齐AI短板 或可超越硅基计算机

ChatGPT绝对是近期席卷全球的火爆话题之一，其无所不包的知识库和与人类高度相似的沟通能力，让人们瞥见了未来AI（人工智能）的样子。但在许多领域，人工智能仍远远比不上人类智能。一旦涉及复杂的逻辑问题，例如分辨猫和狗，人脑便能轻易胜出。

且虽然人工智能可以厉害如AlphaGo，能够围绕16万场比赛的数据接受了训练，最终击败世界顶级围棋选手，但其计算能力伴随着巨大成本——训练它所需的能量大约相当于让一个活跃成年人生活10年所需的能量。

而事实上，人脑储存信息的能力超强，估计能储存2500万亿字节信息。与此同时，计算机的储存能力已接近极限，现有技术很难在微小的芯片上再增加更多晶体管。此外，虽然硅基计算机有更强的计算能力，但当前的算法模型决定了AI无法拥有像人类一样的学习能力和速度。

ChatGPT评价AI和OI的关系

就像Thomas Hartung教授认为的，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。于是，研究人员因此寄希望于生物计算机和类器官智能技术，用“人脑”补齐AI短板。

由约翰斯·霍普金斯大学领衔的Thomas Hartung教授团队提出了“类器官智能”（OI，Organoid Intelligence）计划，以类脑器官为“硬件”，有望开发出“生物计算机”，并已在《科学前沿》杂志上发表了实现这一愿景的路线图。

“类器官智能”路线图

而该项目的终极目的就是开发出超越硅基计算机的系统，同时促进神经科学和其他医学领域的研究。这项研究或许能让我们看到未来计算机的基本构造不再是硅晶圆，而是脑细胞。同时有科学家认为，由脑细胞驱动的生物计算机，性能将远超硅基计算机，同时能耗也要低得多。

► 类器官智能是如何实现的？

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。

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。

3D细胞培养的研究进展为探索类器官智能提供了基础

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。

3D微流控装置，以支持大脑类器官的可伸缩性和长期内稳态

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。

基于OI的生物计算机系统，大脑类器官作为其计算核心

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。

类器官智能走到哪一步了?

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”。Thomas Hartung教授说，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。约翰斯·霍普金斯大学发表的声明提出，该研究有望为人们提供对大脑更深入的了解，其次可以避免用人脑做研究所面临的不少伦理问题。

类器官的开发研究还能帮助研究人员更好地理解自闭症。其研究对象的范围还可能扩大至阿尔茨海默病等疾病，进一步推动对大脑疾病引起的认知障碍及其预防的研究。科学家们已经开始从神经系统疾病患者的干细胞中制造类脑细胞，与健康个体进行比较，并检验相应治疗药物的效果。此外，还可以使用类器官智能技术来测试某些物质（例如杀虫剂）是否会导致记忆或学习问题。

虽然要想真看到类脑细胞驱动的生物计算机可能还需要几十年，但类器官智能的潜能巨大。

在类器官智能支持下实现的“生物计算机”有望比目前的超级计算机更节能。例如，世界上最强大的超级计算机——位于美国橡树岭实验室造价6亿美元的超级计算机Frontier重达3629公斤，能实现每秒一百万万亿次运算。虽然这台机器的计算能力已超越单个人脑的计算能力，可它消耗的能量却是人脑的100万倍。

类器官智能技术仍面临多重挑战

► 研究仍处起步阶段

类器官智能技术研究刚刚起步，要落地仍面临不少挑战。Thomas Hartung教授预计，要想使类器官智能技术达到与老鼠脑力相当的水平，仍需要数十年时间。

此外，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。但要实现类器官智能的愿景，必须培育大约1000万个类脑细胞。而目前，由于营养液无法充分渗入类脑细胞，科学家只能培育出大约5万个类脑细胞。

► 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。

责编：方钰洁

监制：李红梅

文章参考：

1.《后浪追前浪 类器官智能或超越人工智能》新华社

2.《超越人工智能？“类器官智能”时代或将到来》解放日报

3.《未来计算机在脑细胞上运行？“类器官智能”计划和路线图公布》澎湃新闻

4.《“缸中之脑”成真？科学家提议开发由脑细胞驱动的生物计算机》 华尔街见闻

5.《AI之后的下一个热点：让“电脑”变“人脑”》清元宇宙