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硅星人

这家公司让人造大脑真的活在“黑客帝国”里了

硅碳合成的生物智能,似乎并不遥远……

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发布于 2021年12月31日

最近,科幻迷十分期待的《黑客帝国4》上映了。

该系列最初的设定当中,具有超凡能力的人类 NEO,其意识以程序员 Thomas Anderson 的身份生活在虚拟空间里;而当人类反叛者领袖 Morpheus 帮助他脱离“母体”(Matrix)之后,他才明白过来,自己之前其实住在计算机里,无法分辨真实和虚拟。

黑客帝国在20多年前所描绘的这个科幻概念,终于在最近,在一群澳大利亚脑科学研究者的手中,成为真实了。

这些科学家们,开发出了一颗真的、活的大脑。

(这并不厉害,毕竟过去已经开发出来的人造大脑比比皆是。)

厉害的是:这颗人造大脑,它在生理的层面上,活在真实世界的一支培养皿里;它的脑部活动,却发生在一个由计算机模拟出来的游戏世界里。

DishBrain,第一个可工作的“缸中之脑”

本月初,来自澳大利亚脑科学公司 Cortical Labs,以及澳、英、加等国多所知名学府的研究人员,在生物学论文预印本网站 bioRxiv 上发表了《体外神经元在模拟游戏世界中学习并表现出知觉性》一文,首次展示了该团队在脑科学方面前所未有的最新进展:

团队在培养皿中培育了一些活体脑细胞,连接外部电路来传输微电流信号。只用了短短几个小时,这些细胞就成功学会了如何玩《Pong》街机游戏。

他们将这个系统称为 DishBrain.

这些活体脑细胞,来自人类和啮齿动物源,在培养皿中和硅基电路板通过高密度微电极阵列实现了结合。电路传输微弱的信号,对细胞产生刺激效果,使得它们以为自己是《Pong》游戏里的球拍。

从下图中可以看到,对于模拟环境的游戏画面中发生的场景变化,脑细胞能够产生有“知觉性”(sentient) 的反应。

“这些细胞,就像真的生活在母体/黑客帝国里一样,”Cortical Labs 首席科学官 Brett Kagan 表示。

更令研究者感到惊讶的是,对于同一款游戏,这些体外活体脑细胞的学习速度,比一般计算机神经网络系统要快得多。

通常,传统的计算机神经网络需要大约90分钟的时间,才能对于 Pong 游戏的机理,和自己应该要做什么,产生基本的了解;而训练到一般人的游戏水平,则可能需要几百甚至上千小时的时间。

而对于 DishBrain,它了解游戏机理和自己的身份,只用了5分钟的时间,然后达到正常游戏水平,总计训练时间只用了“几个小时”(十多个小节,每小节15分钟)。

这些脑细胞,并非取自活体,而是从啮齿类动物胚胎皮质细胞人体诱导多能干细胞 (hiPSC) 培育而成的,两种来源皆可。培育出的脑细胞能够在营养充分的环境里裂变生长,并且能够在体外环境发展出生物神经网络 (BNN)——这也是人类在体外环境所能够培养出的,最为接近智慧生物大脑工作方式的生物神经元结构。

脑细胞培育方式介绍,可以从啮齿类动物的胚胎中提取皮质细胞,或 使用人体诱导多能干细胞进行培养,再放置在高密度多电极阵列芯片上。
脑细胞培育方式介绍,可以从啮齿类动物的胚胎中提取皮质细胞,或 使用人体诱导多能干细胞进行培养,再放置在高密度多电极阵列芯片上。

在此之前,全球多地的高校和研究机构都曾通过细胞培植、脑机结合等方式尝试开发过体外大脑。

比如,德国杜塞尔多夫大学人类基因学院的科学家们,就在今年8月发布了他们在实验室中培植出来的“大脑”。该系统能够一定程度生成和控制感光器官,对可见光做出反应,约等于还在母体腹中5周大的人类胚胎的大脑所具备的能力。

然而 Cortical Labs 开发的 DishBrain,是第一个有论文背书,通过实验手段的项目,它证明了体外脑细胞所组成的生物神经网络,可以具备知觉性、学习能力、完成任务能力……等等更加“高级”大脑功能。

诚然,《Pong》是个非常简单的游戏,任何正常人,哪怕是几岁的幼童,都能够很快掌握,然而对于数量极其有限,并且采用比人脑构成方式更加“粗野”的自然生长方式,在实验室环境培养的脑细胞来说,能够在几分钟内掌握游戏的要义,几小时就学会玩游戏——还是非常令人震惊的发现。

DishBrain 的闭环反馈系统
DishBrain 的闭环反馈系统

来自澳大利亚的脑机结合先锋

Cortical Labs 是一家位于澳大利亚墨尔本的脑科学研究型公司,创立于2019年,于去年三月正式走出隐形状态。

该公司的目标是造出一颗真实的大脑,让它遨游虚拟的世界。当然,如果你觉得这么说太“虚”了,更实际一点的说法,就是:制造出真正实现硅+碳结合的计算芯片。

这样的芯片,充分利用合成生物和人脑的力量,开发出一种全新的混合型人工智能,能够对人类社会所面临的最大挑战实现自动适应和问题解决。

在过去,大脑神经元的工作方式已经启发了很多的计算技术方面的创新,比如我们已经非常熟悉的深度学习神经网络,以及类脑计算等更加新颖的技术——然而,这些技术仍然属于仿生的范畴,他们并没有实现字面意义上的“硅碳”结合,没有真正将字面意义上的“人脑”加入到计算系统里。

在这个真正“脑机结合”的方向上,Cortical Labs 团队产出了令人兴奋的结果。

Cortical Labs 的联合创始人 Hong Weng Chong(下图中间)是一位在医疗科技领域有着丰富资历的连续创业者。他毕业于约翰霍普金斯大学信息学系,既有软件工程经验,也是一位有着医学博士学位的执业医生。在创立 Cortical Labs 之前,Chong 在自己创立的医疗硬件公司 CliniCloud 担任 CTO,该公司曾得到腾讯和平安创投投资,其推出的智能体温计和听诊器备受专业用户的好评。

另一位创始人 Andy Kitchen(下图左二)著有多篇机器学习方面的论文,也是墨尔本当地机器学习/AI社群的最关键的组织者之一。

值得一提的是,Cortical Labs 的创始理念是英国伦敦大学学院的神经科学权威卡尔·弗里斯顿所提出的“自由能量原则”(又称为主动推理原则)。

这个概念相当复杂,这里我们就不赘述了,你只需要知道,它一开始是用来解释自组织生命系统(比如一枚细胞,或者一颗大脑)的工作原理的,后来也被发现嵌套到统计、计算机、心理学、等很多其它领域时,和这些领域的经典、权威法则也都是“兼容”的——正是因此,自由能量原则被很多学者推崇,却也受到了更多的挑战。很多人批评它是一个形而上学的假设,难以通过科学实验去证伪。

而如果我们再回头看 DishBrain 论文的摘要,它是这样写的:

DishBrain 是一个在结构化环境中,利用脑细胞神经元固有的适应性计算能力,从而展示自然智能的系统……培养物被嵌入到一个模拟的街机游戏“Pong”的世界中……
在此系统上,我们对此前无法实测的“主动推理”理论实现了实测,并且发现实际游戏时间5分钟以内就可以观察到培养物具有学习能力……

进一步实验结果则展示了闭环反馈在激发学习能力方面的重要性。培养物展现出了以目标为导向的自组织能力……

也就是说 Cortical Labs 过去几年里在人造大脑方面所作的实验,正是对自由能量原则的实证,在神经科学方面具有重大意义。

不过就目前来看,DishBrain 的初步成果并没有得到与其重要性所匹配的关注。公司创始人为了吸引眼球,也忙着在 Twitter 等社交网络上呼朋唤友来转发,希望让马斯克看到,能够在 DishBrain 和 NeuraLink 的猴子之间展开一场游戏“battle”……

(NeuraLink 是脑机接口领域最受关注的公司之一,由马斯克牵头并投资。)

利用活体神经元的计算能力,创造硅基和碳基合成的生物智能,这种想法在过去一直局限于科幻的范畴里。

今天,DishBrain 项目已经证明,在技术创新的推动下,硅碳合成的生物智能,似乎并不遥远……

*注:封面图来自于 Cortical Labs/《新科学家》杂志,版权属于原作者。如果不同意使用,请尽快联系我们,我们会立即删除。

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