沒(méi)有一臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠與人腦相提并論，無(wú)論是在強(qiáng)大性還是復(fù)雜性上。我們顱骨中的這塊組織塊能夠以計(jì)算技術(shù)幾乎無(wú)法觸及的數(shù)量和速度處理信息。

大腦成功的關(guān)鍵在于神經(jīng)元在充當(dāng)處理器和存儲(chǔ)設(shè)備方面的效率，與大多數(shù)現(xiàn)代計(jì)算設(shè)備中物理上分離的單元形成對(duì)比。

人們?cè)啻螄L試使計(jì)算更加類似于大腦，但一項(xiàng)新的努力更進(jìn)一步——通過(guò)將真實(shí)的、實(shí)際的人腦組織與電子器件整合在一起。

它被稱為Brainoware，而且它確實(shí)奏效。印第安納大學(xué)布盧明頓分校的工程師馮·郭領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)讓它執(zhí)行了語(yǔ)音識(shí)別和非線性方程預(yù)測(cè)等任務(wù)。

與純硬件計(jì)算機(jī)運(yùn)行人工智能相比，它的準(zhǔn)確性稍差一些，但這項(xiàng)研究展示了一種新型計(jì)算機(jī)架構(gòu)邁出的重要第一步。

然而，盡管郭及其同事在開發(fā)Brainoware時(shí)遵循了倫理準(zhǔn)則，但約翰霍普金斯大學(xué)的一些研究人員在一篇相關(guān)的《自然電子》評(píng)論中指出，在進(jìn)一步發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)時(shí)牢記倫理考慮的重要性。

未參與該研究的莉娜·斯米爾諾娃、布萊恩·卡福和埃里克·C·約翰遜警告道：“隨著這些器官樣系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，社區(qū)有必要審查圍繞整合人類神經(jīng)組織的生物計(jì)算系統(tǒng)涉及的眾多神經(jīng)倫理問(wèn)題?！?/span>

Brainoware運(yùn)作原理的示意圖。（Cai等人，自然電子，2023年） 人腦令人驚嘆。據(jù)估計(jì)，平均每個(gè)大腦含有860億個(gè)神經(jīng)元，多達(dá)一千萬(wàn)億個(gè)突觸。每個(gè)神經(jīng)元與最多1萬(wàn)個(gè)其他神經(jīng)元相連接，不斷發(fā)放和相互通信。

迄今為止，我們?cè)谌斯は到y(tǒng)中模擬大腦活動(dòng)的最佳努力僅僅是皮毛。

2013年，理研的K計(jì)算機(jī)——當(dāng)時(shí)是世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一——曾試圖模擬大腦。搭載82,944個(gè)處理器和1PB主內(nèi)存，它花了40分鐘來(lái)模擬由1040億個(gè)神經(jīng)元通過(guò)1.04萬(wàn)億個(gè)突觸連接的1秒鐘的活動(dòng)——大約僅占大腦活動(dòng)的1-2%。

近年來(lái)，科學(xué)家和工程師一直在嘗試通過(guò)設(shè)計(jì)硬件和算法來(lái)模仿大腦的結(jié)構(gòu)和工作方式，以接近大腦的能力。被稱為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的這一方法正在改進(jìn)，但它耗能大，訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也很耗時(shí)。

左至右，上：人腦器官樣結(jié)構(gòu)在7天、14天、28天和數(shù)月時(shí)的情況；下，左至右：1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月。（Cai等人，自然電子，2023年） 郭及其同事試圖采用一種不同的方法，使用在實(shí)驗(yàn)室中培育的真實(shí)人腦組織。人類多能干干細(xì)胞被誘導(dǎo)發(fā)展成不同類型的腦細(xì)胞，這些細(xì)胞組織成三維小腦袋，稱為器官樣結(jié)構(gòu)，具有連接和結(jié)構(gòu)。

這些并不是真正的大腦，只是沒(méi)有思想、情感或意識(shí)的組織排列。它們對(duì)于研究大腦的發(fā)展和工作方式是有用的，而不必在真正的人體中進(jìn)行探查。

Brainoware由連接到高密度微電極陣列的腦器官樣結(jié)構(gòu)組成，使用一種被稱為儲(chǔ)水池計(jì)算的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。電刺激將信息傳遞到器官樣結(jié)構(gòu)中，在那里信息被處理，然后Brainoware以神經(jīng)活動(dòng)的形式輸出其計(jì)算結(jié)果。

輸入和輸出層使用普通的計(jì)算機(jī)硬件。這些層需要經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，以與器官樣結(jié)構(gòu)一起運(yùn)作，其中輸出層讀取神經(jīng)數(shù)據(jù)并根據(jù)輸入進(jìn)行分類或預(yù)測(cè)。

為了演示該系統(tǒng)，研究人員向Brainoware提供了來(lái)自8名男性說(shuō)日語(yǔ)元音的音頻剪輯，要求它識(shí)別其中一名特定個(gè)體的聲音。

他們從一個(gè)天真的器官樣結(jié)構(gòu)開始；在僅僅兩天的訓(xùn)練后，Brainoware能夠以78%的準(zhǔn)確率識(shí)別說(shuō)話者。

一個(gè)器官樣結(jié)構(gòu)及其掃描的神經(jīng)活動(dòng)的示例。（Cai等人，自然電子，2023年） 他們還讓Brainoware預(yù)測(cè)亨農(nóng)圖，這是一個(gè)表現(xiàn)出混沌行為的動(dòng)力系統(tǒng)。他們讓它在四天內(nèi)學(xué)習(xí)，每天代表一個(gè)訓(xùn)練周期，發(fā)現(xiàn)它能夠比沒(méi)有長(zhǎng)短時(shí)記憶單元的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)這個(gè)圖。

與帶有長(zhǎng)短時(shí)記憶單元的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，Brainoware略遜一籌——但這些網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了50個(gè)訓(xùn)練周期。Brainoware在不到10%的訓(xùn)練時(shí)間內(nèi)取得了接近相同的結(jié)果。

研究人員寫道：“由于器官樣結(jié)構(gòu)的高可塑性和適應(yīng)性，Brainoware具有根據(jù)電刺激變化和重組的靈活性，突顯了其自適應(yīng)儲(chǔ)水池計(jì)算的能力?！?/span>

仍然存在重大限制，包括保持器官樣結(jié)構(gòu)的生存和健康，以及外圍設(shè)備的能耗水平問(wèn)題。但在牢記倫理考慮的同時(shí)，Brainoware不僅對(duì)計(jì)算有影響，還對(duì)理解人腦的奧秘有影響。

斯米爾諾娃、卡福和約翰遜寫道：“在一般的生物計(jì)算系統(tǒng)能夠被創(chuàng)建之前可能需要幾十年，但這項(xiàng)研究很可能產(chǎn)生對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)制、神經(jīng)發(fā)育機(jī)制和神經(jīng)退行性疾病認(rèn)知影響的基礎(chǔ)性見(jiàn)解。”

這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在《自然電子》雜志上。