培养皿里的脑组织居然也可以当计算机？

培养皿里的脑组织，居然也可以当打算机？

Thomas Hartung

约翰霍普金斯大学动物实验替代研究中央（CAAT）主任、《人工智能前沿》（Frontiers in Artificial Intelligence）期刊主编

人类大脑是自然界中最繁芜的构造之一，它的事情事理仍旧是科学界的一个巨大谜团。
如果我们能够利用生物质料和技能，构建一个能够模拟人类大脑的打算机，那么我们就有可能揭开这个谜团，同时也为打算机科学和医学带来革命性的变革。
这便是生物打算机的观点，它是一种利用神经元和脑组织构建的能够模拟人类大脑构造和紧张功能的3D培养物。
生物打算机是否能够超越人类大脑的能力？它们是否拥有自我意识和情绪？

生物打算机（又称迷你大脑）由体外培养的三维大脑组织和神经元构成，能仿照了人类大脑的部分构造和紧张功能。

这项技能有望兼具前沿电子打算机的性能和人脑的节能上风，实现两种系统的“上风互补”。

将来“生物打算机”可能成为科研的代价令媛，特殊为某些疾病的研究供应了很好的工具。

类器官智能（Organoid Intelligence，简称OI）的未来发展，与电生理学、人工智能和类大脑器官三个领域的打破密不可分。

神经科学的进步为根本研究和人类疾病研究开辟了新路子，也为利用神经元、脑组织为元件的“生物打算机”创造了无限可能。
生物打算机也称为迷你大脑，实在质是体外人工培养的大脑组织形成的三维构造体。
以生物打算机为代表的类器官智能（Organoid Intelligence，简称OI，所谓“类器官”是在实验室内造就的、与某种器官功能类似的组织）已初具雏形，下一场打算革命蓄势待发。

在此，有必要明确类器官智能（OI）和人工智能（AI）的差别。
人工智能并不是人类智能的复刻，其“思维办法”与人脑完备不同，看看AI下棋就知道了：它捐躯的棋子远多于正凡人类棋手[1]。
其余，AI的能耗极大。
2022年6月，位于美国橡树岭国家实验室的Frontier超级打算机实现了每秒实行1.110次运算的性能，但这也才刚达到人脑的水平。
人脑正常运转只须要20瓦的功率，而Frontier则须要10兆瓦！

01

OI的三大技能根本

未来的OI有望兼具前沿电子打算机的运算性能和人脑的节能上风，实现两种系统的“上风互补”。
OI的发展，与电生理学、人工智能和类大脑器官三个领域的打破密不可分。

“生物打算机研发仍处于低级阶段。
”

电生理学技能是外界与类大脑器官传输信息的根本。
难点在于，小小的一块脑组织每秒会发出多种电化学旗子暗记，怎么才能找到一种非侵入性系统接管这些旗子暗记呢？美国有些高校学者认为可以利用笼形电极[2]，作为一种初步办理方案。
此外，监测类大脑器官的发育情形离不开前辈的电极技能。
通过剖析组织的电旗子暗记，可以判断体外培养的类大脑器官是否成功发育出三维构造以及相应的功能，还可以评估神经组织是否正常运作，脑组织机制是否正常开释繁芜电化学旗子暗记。
类脑组织的影象功能有赖于神经元网络的重组以及其他脑细胞的协同浸染，例如构成大脑免疫系统的小胶质细胞等。
为了确保类器官智能能够全面发育，须要不断监测上述成分。

AI对OI技能的发展也至关主要。
类大脑组织会天生大量空间化和构造化的数据。
最新的AI算法技能能解读这些数据，从而判断生物打算机的潜力。

OI所须要的第三项技能是较大规模造就体系技能，但尚不成熟。
目前，实验室培养的最大的类脑组织只有几毫米，包含1.5万个神经元。
神经元最怕缺氧，必须利用类似血流循环的系统为组织不断贯注灌注氧和养分，才能担保更大的组织的存活。
虽然现在有微流控技能，但从未运用到类大脑器官上。
如果成功，我们就能实现蝇脑尺寸到鼠脑尺寸的超过了。

02

运用处景：根本研究

生物打算系统会取代目前的电脑吗？至少在短期内不会。
直到2019年，两个类大脑器官才刚刚实现信息互换，由一支日本的科研团队完成[3]。
不过，现在各地生物打算的课题组数不胜数，大概打破会来得比预见中更快。
未来第一代OI系统有望成为神经科学研究的工具，可以作为一种模型，用于探索人类大脑如何处理不完全信息等课题。

OI系统还可以用于研究老年痴呆症、阿斯伯格综合症或其他常见人类大脑疾病的机制。
目前很难针对这些疾病建立可行的实验室模型。
出于伦理道德的哀求，实验室不能研究会毁坏人类影象的物质，但有了类大脑器官，这样的实验就有了开展的空间。

OI本身也蕴含伦理问题：某些类型的类大脑组织是否能感知疼痛？该利用什么样的标准，评估体外培养组织的智力？这些问题必须在发生之前有所准备。
2022年，来自天下各地的学者在“构建OI社群”第一届器官类智能研讨会上揭橥了《关于类器官智能的巴尔的摩声明》[4]，承诺将随着技能的发展同步考虑干系的伦理道德问题。
综合而言，生物打算机的发展尚处于起步阶段，其许多方面值得我们寻思。

作者

Agns Vernet

编辑

Meister Xia

1. https://www.technologyreview.com/2017/12/08/147199/alpha-zeros-alien-chess-shows-the-power-and-the-peculiarity-of-ai/

2. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq5031

3. https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(19)30078–1

4.https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1068159/full