文|創瞰巴黎 Agnès Vernet

編輯|Meister Xia

導讀

人類大腦是自然界中最復雜的結構之一，它的工作原理仍然是科學界的一個巨大謎團。如果我們能夠利用生物材料和技術，構建一個能夠模仿人類大腦的計算機，那么我們就有可能揭開這個謎團，同時也為計算機科學和醫學帶來革命性的變化。這就是生物計算機的概念，它是一種利用神經元和腦組織構建的能夠模仿人類大腦結構和主要功能的3D培養物。生物計算機是否能夠超越人類大腦的能力？它們是否擁有自我意識和情感？

一覽：

生物計算機（又稱迷你大腦）由體外培養的三維大腦組織和神經元構成，能模擬了人類大腦的部分結構和主要功能。

這項技術有望兼具前沿電子計算機的性能和人腦的節能優勢，實現兩種系統的“優勢互補”。

將來“生物計算機”可能成為科研的無價之寶，特別為某些疾病的研究提供了很好的工具。

類器官智能（Organoid Intelligence，簡稱OI）的未來發展，與電生理學、人工智能和類大腦器官三個領域的突破密不可分。

神經科學的進步為基礎研究和人類疾病研究開辟了新途徑，也為使用神經元、腦組織為元件的“生物計算機”創造了無限可能。生物計算機也稱為迷你大腦，其本質是體外人工培養的大腦組織形成的三維結構體。以生物計算機為代表的類器官智能（Organoid Intelligence，簡稱OI，所謂“類器官”是在實驗室內培育的、與某種器官功能類似的組織）已初具雛形，下一場計算革命蓄勢待發。

在此，有必要明確類器官智能（OI）和人工智能（AI）的差別。人工智能并不是人類智能的復刻，其“思維方式”與人腦完全不同，看看AI下棋就知道了：它犧牲的棋子遠多于正常人類棋手[1]。另外，AI的能耗極大。2022年6月，位于美國橡樹嶺國家實驗室的Frontier超級計算機實現了每秒執行1.1×1018次運算的性能，但這也才剛達到人腦的水平。人腦正常運轉只需要20瓦的功率，而Frontier則需要10兆瓦！

01 OI的三大技術基礎

未來的OI有望兼具前沿電子計算機的運算性能和人腦的節能優勢，實現兩種系統的“優勢互補”。OI的發展，與電生理學、人工智能和類大腦器官三個領域的突破密不可分。

“生物計算機研發仍處于初級階段。”

電生理學技術是外界與類大腦器官傳輸信息的基礎。難點在于，小小的一塊腦組織每秒會發出多種電化學信號，怎么才能找到一種非侵入性系統接受這些信號呢？美國有些高校學者認為可以使用籠形電極[2]，作為一種初步解決方案。此外，監測類大腦器官的發育情況離不開先進的電極技術。通過分析組織的電信號，可以判斷體外培養的類大腦器官是否成功發育出三維結構以及相應的功能，還可以評估神經組織是否正常運作，腦組織機制是否正常釋放復雜電化學信號。類腦組織的記憶功能有賴于神經元網絡的重組以及其他腦細胞的協同作用，例如構成大腦免疫系統的小膠質細胞等。為了確保類器官智能能夠全面發育，需要不斷監測上述因素。

AI對OI技術的發展也至關重要。類大腦組織會生成大量空間化和結構化的數據。最新的AI算法技術能解讀這些數據，從而判斷生物計算機的潛力。

OI所需要的第三項技術是較大規模培育體系技術，但尚不成熟。目前，實驗室培養的最大的類腦組織只有幾毫米，包含1.5萬個神經元。神經元最怕缺氧，必須利用類似血流循環的系統為組織不斷灌輸氧和養分，才能保證更大的組織的存活。雖然現在有微流控技術，但從未應用到類大腦器官上。如果成功，我們就能實現蠅腦尺寸到鼠腦尺寸的跨越了。

02 應用場景：基礎研究

生物計算系統會取代目前的電腦嗎？至少在短期內不會。直到2019年，兩個類大腦器官才剛剛實現信息互換，由一支日本的科研團隊完成[3]。不過，現在各地生物計算的課題組數不勝數，也許突破會來得比預料中更快。未來第一代OI系統有望成為神經科學研究的工具，可以作為一種模型，用于探索人類大腦如何處理不完整信息等課題。

OI系統還可以用于研究老年癡呆癥、阿斯伯格綜合癥或其他常見人類大腦疾病的機制。目前很難針對這些疾病建立可行的實驗室模型。出于倫理道德的要求，實驗室不能研究會破壞人類記憶的物質，但有了類大腦器官，這樣的實驗就有了開展的空間。

OI本身也蘊含倫理問題：某些類型的類大腦組織是否能感知疼痛？該使用什么樣的標準，評估體外培養組織的智力？這些問題必須在發生之前有所準備。2022年，來自世界各地的學者在“構建OI社群”第一屆器官類智能研討會上發表了《關于類器官智能的巴爾的摩聲明》[4]，承諾將隨著技術的發展同步考慮相關的倫理道德問題。綜合而言，生物計算機的發展尚處于起步階段，其許多方面值得我們深思。