證明人腦細胞在體外也有感知，「盤中之腦」論文正式登Cell子刊

衡宇 2022-10-15 12:27:29 來源：量子位

詹士 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

這有一個放在盤中的「大腦」，它以為自己是游戲角色，其活著的意義就是完成游戲任務。

有「黑客帝國」內味兒了？？？

現實中，這個盤中大腦有人做出來了，命名就是DishBrain，它長這樣：

造出該大腦的是個澳大利亞的科研團隊。他們將80萬個活體細胞放在培養皿中，將它們通過電極，連接到經典乒乓球游戲Pong中，讓其沉浸其中，提升技藝——

實驗顯示，該「大腦」5分鐘內就學會了打游戲，而該速度比AI快了17倍。

目前該研究論文已被Neuron正式發表。

實際上，該研究內容已于2021年12月在預印本論文平臺bioRxiv對外公開，一度引發不小關注——

此番登上Neuron，意味著該項研究成果正式被認可并發表，BBC、衛報、yahoo、Nature等更多媒體與平臺也跟進報道。

一起看看正式版的論文說了些什么。

制造「盤中之腦」

科學家從小鼠及人身上提取干細胞，在電極陣列刺激誘導下以特定方法分別誘導分化，在體外重建生物神經元網絡（BNN）。他們將該套系統命名為盤中大腦（DishBrain）。

在培養過程中，科學家發現第15.5天，小鼠胚胎干細胞已初步分化，人類干細胞已分化出活躍的單層異質皮層神經元，具備一定成熟的功能性。在此后，皮層細胞還會形成密集的互聯網絡。

研究者還觀察了細胞活性，體外培養14天后，培養的皮層細胞爆發出強大活性，且表現出自發放電的生理活動。

然后，研究人員將培養后的DishBrain通過電極與游戲電子系統連接，形成一套帶反饋系統的實驗環境。

該環境是一個低延遲實時系統，讓「大腦」可即時收到游戲反饋做出判斷。研究團隊依靠一套供應商的交互軟件，讓「大腦」可感知非侵入式電刺激。

至于輸出控制，DishBrain通過對8個電極輸入電信號，實現對游戲Pong里擊球板的控制，不同區域信號代表不同操作，掌控擊球板上下移動。

一旦球沒被打中，系統就會傳給DishBrain一段長達4秒，5赫茲，150mv電壓的不可預知刺激，然后游戲重啟。如果成功彈回小球，系統會返回一個100赫茲10毫秒的可預知刺激。

結果顯示，無論人類干細胞培養的「大腦」（HCC），還是小鼠干細胞分化成的系統（MCC），其一開始0到5秒內反應時長和最長擊球時長都與對照組差異不大——

但在6秒到20秒區間內，兩個實驗樣本表現明顯超過了對照組，有更好表現，此外首次發球（ACE）沒接到的比率也有所降低，而對照組幾乎沒有變化：

最后在文章結論部分，研究團隊稱，他們證明了體外環境下，皮層神經元具備感知及自組織的行為能力，更進一步，這對將生物計算硬件發展起到推動作用，此外，該成果可能還會應用于阿茲海默癥等疾病治療。

此外在其他媒體采訪中，他們披露，后續將試著將盤中大腦放入乙醇環境中，看看「喝醉」后，它們表現如何。

為什么「大腦」會基于反饋做改變？

值得補充的是，不少人都在好奇，此項研究中什么因素促使盤中的「大腦」愿意響應反饋，不斷調整輸出？

此前也有熱心讀者提出提問：

實際上，上述問題的原理，基于自由能假設(free energy principle)。

該理論來自認知科學，大意可理解為：自組織系統力求最大限度減少自由能變化，就是減少預測和感知之間的差距。

用提出者Karl Friston自己的說法，即：人活著，就是為了不斷縮小“個人期望”和“感官感受”之間的差距。

Karl Friston及其追隨者們認為，正是此種動力使得大腦會不斷做期望、與外界給到感知對比、調整期望，也構成了此次「盤中大腦」的理論基礎。有意思的是，該理論誕生還受Hinton啟發。

在這回「盤中大腦」研究中，他們對自由能假設(free energy principle)也做了相關驗證。

研究者先取消了系統給「大腦」的一切刺激，僅在失敗時重新開啟，即Silent模式。進而，他們又將「重新開啟」也取消，「大腦」沒接住，小球依然按原位置繼續回彈——

結果顯示，在有直接負面反饋情況下「大腦」們有明顯提升和學習調整動作，另外兩種情況，學習效果大大下降，尤其連重啟動作也取消后，「大腦」幾乎毫無進步：

由于該成果極具話題性，發布后，在近期也引來不少評論和質疑。

有人稱其詭異而有趣。

也有人指出該項實驗涉及生物體意識，在倫理道德方面有危險：

還有學者認為，該研究團隊聲稱他們培養的「大腦」具備感知能力，但實際上，生物感知與情緒意識相關，此類說法未免有些不嚴謹。

團隊介紹

最后了解下研究者們。

一作Brett J. Kagan，來自墨爾本的Cortical實驗室，二作Andy C. Kitchen，來自同一機構。

該研究背后還有神經科學家Karl Friston參與，就是前文提及的自由能假設(free energy principle)提出者。

Karl Friston為倫敦大學學院教授，也是腦成像領域的權威科學家，他在2016年被Semantic Scholar評為最具影響力的10 位神經科學家名單中的第一名。

想進一步了解「盤中大腦」的讀者，點擊下面視頻，可了解更多：

盤中之腦

參考鏈接：
[1]https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0896627322008066
[2]https://www.cnet.com/science/live-brain-cells-in-dish-quickly-learn-to-play-pong/
[3]https://www.crunchbase.com/organization/cortical-labs/signals_and_news