培养皿里的脑组织，居然也可以当计算机？

Thomas Hartung

约翰霍普金斯大学动物实验替代研究中心（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复杂的结构之一，它的工作原理仍然是科学界的一个巨大谜团。如果我们能够利用生物材料和技术，构建一个能够模仿人类大脑的计算机，那么我们就有可能揭开这个谜团，同时也为计算机科学和医学带来革命性的变化。这就是生物计算机的概念，它是一种利用神经元和脑组织构建的能够模仿人类大脑结构和主要功能的3D培养物。生物计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感？

生物计算机（又称迷你大脑）由体外培养的三维大脑组织和神经元构成，能模拟了人类大脑的部分结构和主要功能。

这项技术有望兼具前沿电子计算机的性能和人脑的节能优势，实现两种系统的“优势互补”。

将来“生物计算机”可能成为科研的无价之宝，特别为某些疾病的研究提供了很好的工具。

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突破密不可分。

神经科学的进步为基础研究和人类疾病研究开辟了新途径，也为使用神经元、脑组织为元件的“生物计算机”创造了无限可能。生物计算机也称为迷你大脑，其本质是体外人工培养的大脑组织形成的三维结构体。以生物计算机为代表的类器官智能（Organoid Intelligence，简称OI，所谓“类器官”是在实验室内培育的、与某种器官功能类似的组织）已初具雏形，下一场计算革命蓄势待发。

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“思维方式”与人脑完全不同，看看AI下棋就知道了：它牺牲的棋子远多于正常人类棋手[1]。另外，AI的能耗极大。2022年6月，位于美国橡树岭国家实验室的Frontier超级计算机实现了每秒执行1.1×10次运算的性能，但这也才刚达到人脑的水平。人脑正常运转只需要20瓦的功率，而Frontier则需要10兆瓦！

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OI的三大技术基础

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

“生物计算机研发仍处于初级阶段。”

电生理学技术是外界与类大脑器官传输信息的基础。难点在于，小小的一块脑组织每秒会发出多种电化学信号，怎么才能找到一种非侵入性系统接受这些信号呢？美国有些高校学者认为可以使用笼形电极[2]，作为一种初步解决方案。此外，监测类大脑器官的发育情况离不开先进的电极技术。通过分析组织的电信号，可以判断体外培养的类大脑器官是否成功发育出三维结构以及相应的功能，还可以评估神经组织是否正常运作，脑组织机制是否正常释放复杂电化学信号。类脑组织的记忆功能有赖于神经元网络的重组以及其他脑细胞的协同作用，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，需要不断监测上述因素。

AI对OI技术的发展也至关重要。类大脑组织会生成大量空间化和结构化的数据。最新的AI算法技术能解读这些数据，从而判断生物计算机的潜力。

OI所需要的第三项技术是较大规模培育体系技术，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灌输氧和养分，才能保证更大的组织的存活。虽然现在有微流控技术，但从未应用到类大脑器官上。如果成功，我们就能实现蝇脑尺寸到鼠脑尺寸的跨越了。

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应用场景：基础研究

生物计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，现在各地生物计算的课题组数不胜数，也许突破会来得比预料中更快。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整信息等课题。

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。出于伦理道德的要求，实验室不能研究会破坏人类记忆的物质，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？该使用什么样的标准，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，来自世界各地的学者在“构建OI社群”第一届器官类智能研讨会上发表了《关于类器官智能的巴尔的摩声明》[4]，承诺将随着技术的发展同步考虑相关的伦理道德问题。综合而言，生物计算机的发展尚处于起步阶段，其许多方面值得我们深思。

作者

Agnès Vernet

编辑

Meister Xia

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