約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員分享了他們的“類器官智能”計(jì)劃。該團(tuán)隊(duì)正在努力創(chuàng)建一個(gè)由人類腦細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的“生物計(jì)算機(jī)”，他們認(rèn)為這可以成倍地?cái)U(kuò)展現(xiàn)代計(jì)算的能力并創(chuàng)造新的研究領(lǐng)域。

該研究發(fā)表在科學(xué)前沿雜志上。

生物計(jì)算的興起

Thomas Hartung 是約翰霍普金斯大學(xué)布隆伯格公共衛(wèi)生學(xué)院和懷廷工程學(xué)院的環(huán)境健康科學(xué)教授。他正在領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)項(xiàng)目。

“計(jì)算和人工智能一直在推動(dòng)技術(shù)革命，但它們正在達(dá)到天花板，”Hartung 說。“生物計(jì)算是壓縮計(jì)算能力并提高其效率以突破我們當(dāng)前技術(shù)極限的巨大努力。”

近二十年來，研究人員一直在使用微小的類器官（類似于完全成熟器官的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)組織）在腎臟、肺和其他器官上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而無需進(jìn)行人體或動(dòng)物試驗(yàn)。Hartung 和約翰霍普金斯大學(xué)的同事最近一直在研究大腦類器官，即筆尖大小的球體，具有神經(jīng)元和其他有望維持學(xué)習(xí)和記憶等基本功能的特征。

“這開啟了對人類大腦如何工作的研究，”Hartung 說。“因?yàn)槟憧梢蚤_始操縱系統(tǒng)，做一些在道德上不能用人腦做的事情。”

Hartung 于 2012 年開始使用人類皮膚樣本中的細(xì)胞重新編程為胚胎干細(xì)胞樣狀態(tài)來培養(yǎng)腦細(xì)胞并將其組裝成功能性類器官。每個(gè)類器官包含大約 50,000 個(gè)細(xì)胞，大約相當(dāng)于果蠅神經(jīng)系統(tǒng)的大小。他現(xiàn)在設(shè)想用這種大腦類器官建造一臺未來計(jì)算機(jī)。

Thomas Hartung 實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的大腦類器官的放大圖像，染色顯示品紅色為神經(jīng)元，藍(lán)色為細(xì)胞核，其他支持細(xì)胞為紅色和綠色。圖片：Jesse Plotkin/約翰霍普金斯大學(xué)

用大腦類器官構(gòu)建未來計(jì)算機(jī)

根據(jù) Hartung 的說法，在這種“生物硬件”上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)可以開始減輕超級計(jì)算的能源消耗需求，這些需求變得越來越不可持續(xù)。盡管計(jì)算機(jī)處理涉及數(shù)字和數(shù)據(jù)的計(jì)算比人類更快，但大腦在做出復(fù)雜的邏輯決策時(shí)要聰明得多，比如分辨貓狗。

“我們可能需要幾十年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)與任何類型的計(jì)算機(jī)相媲美的目標(biāo)，”Hartung 說。“但如果我們不開始為此制定資助計(jì)劃，就會(huì)困難得多。”

類器官智能還可以徹底改變針對神經(jīng)發(fā)育障礙和神經(jīng)變性的藥物測試研究。

莉娜·斯米爾諾娃 (Lena Smirnova) 是約翰霍普金斯大學(xué)環(huán)境健康與工程助理教授，她是這項(xiàng)調(diào)查的共同負(fù)責(zé)人。

“我們想比較來自正常發(fā)育的捐贈(zèng)者的大腦類器官與來自自閉癥捐贈(zèng)者的大腦類器官，”Lena 說。“我們正在開發(fā)的生物計(jì)算工具與讓我們了解自閉癥神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)變化的工具相同，無需使用動(dòng)物或接觸患者，因此我們可以了解患者為何具有這些認(rèn)知的潛在機(jī)制問題和障礙。”

為了評估與類器官智能合作的倫理影響，該團(tuán)隊(duì)中嵌入了一個(gè)由科學(xué)家、生物倫理學(xué)家和公眾成員組成的多元化聯(lián)盟。