证明人脑细胞在体外也有感知,「盘中之脑」论文正式登Cell子刊
詹士 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
这有一个放在盘中的「大脑」,它以为自己是游戏角色,其活着的意义就是完成游戏任务。
有「黑客帝国」内味儿了???
现实中,这个盘中大脑有人做出来了,命名就是DishBrain,它长这样:
造出该大脑的是个澳大利亚的科研团队。他们将80万个活体细胞放在培养皿中,将它们通过电极,连接到经典乒乓球游戏Pong中,让其沉浸其中,提升技艺——
实验显示,该「大脑」5分钟内就学会了打游戏,而该速度比AI快了17倍。
目前该研究论文已被Neuron正式发表。
实际上,该研究内容已于2021年12月在预印本论文平台bioRxiv对外公开,一度引发不小关注——
此番登上Neuron,意味着该项研究成果正式被认可并发表,BBC、卫报、yahoo、Nature等更多媒体与平台也跟进报道。
一起看看正式版的论文说了些什么。
制造「盘中之脑」
科学家从小鼠及人身上提取干细胞,在电极阵列刺激诱导下以特定方法分别诱导分化,在体外重建生物神经元网络(BNN)。他们将该套系统命名为盘中大脑(DishBrain)。
在培养过程中,科学家发现第15.5天,小鼠胚胎干细胞已初步分化,人类干细胞已分化出活跃的单层异质皮层神经元,具备一定成熟的功能性。在此后,皮层细胞还会形成密集的互联网络。
研究者还观察了细胞活性,体外培养14天后,培养的皮层细胞爆发出强大活性,且表现出自发放电的生理活动。
然后,研究人员将培养后的DishBrain通过电极与游戏电子系统连接,形成一套带反馈系统的实验环境。
该环境是一个低延迟实时系统,让「大脑」可即时收到游戏反馈做出判断。研究团队依靠一套供应商的交互软件,让「大脑」可感知非侵入式电刺激。
至于输出控制,DishBrain通过对8个电极输入电信号,实现对游戏Pong里击球板的控制,不同区域信号代表不同操作,掌控击球板上下移动。
一旦球没被打中,系统就会传给DishBrain一段长达4秒,5赫兹,150mv电压的不可预知刺激,然后游戏重启。如果成功弹回小球,系统会返回一个100赫兹10毫秒的可预知刺激。
结果显示,无论人类干细胞培养的「大脑」(HCC),还是小鼠干细胞分化成的系统(MCC),其一开始0到5秒内反应时长和最长击球时长都与对照组差异不大——
但在6秒到20秒区间内,两个实验样本表现明显超过了对照组,有更好表现,此外首次发球(ACE)没接到的比率也有所降低,而对照组几乎没有变化:
最后在文章结论部分,研究团队称,他们证明了体外环境下,皮层神经元具备感知及自组织的行为能力,更进一步,这对将生物计算硬件发展起到推动作用,此外,该成果可能还会应用于阿兹海默症等疾病治疗。
此外在其他媒体采访中,他们披露,后续将试着将盘中大脑放入乙醇环境中,看看「喝醉」后,它们表现如何。
为什么「大脑」会基于反馈做改变?
值得补充的是,不少人都在好奇,此项研究中什么因素促使盘中的「大脑」愿意响应反馈,不断调整输出?
此前也有热心读者提出提问:
实际上,上述问题的原理,基于自由能假设(free energy principle)。
该理论来自认知科学,大意可理解为:自组织系统力求最大限度减少自由能变化,就是减少预测和感知之间的差距。
用提出者Karl Friston自己的说法,即:人活着,就是为了不断缩小“个人期望”和“感官感受”之间的差距。
Karl Friston及其追随者们认为,正是此种动力使得大脑会不断做期望、与外界给到感知对比、调整期望,也构成了此次「盘中大脑」的理论基础。有意思的是,该理论诞生还受Hinton启发。
在这回「盘中大脑」研究中,他们对自由能假设(free energy principle)也做了相关验证。
研究者先取消了系统给「大脑」的一切刺激,仅在失败时重新开启,即Silent模式。进而,他们又将「重新开启」也取消,「大脑」没接住,小球依然按原位置继续回弹——
结果显示,在有直接负面反馈情况下「大脑」们有明显提升和学习调整动作,另外两种情况,学习效果大大下降,尤其连重启动作也取消后,「大脑」几乎毫无进步:
由于该成果极具话题性,发布后,在近期也引来不少评论和质疑。
有人称其诡异而有趣。
也有人指出该项实验涉及生物体意识,在伦理道德方面有危险:
还有学者认为,该研究团队声称他们培养的「大脑」具备感知能力,但实际上,生物感知与情绪意识相关,此类说法未免有些不严谨。
团队介绍
最后了解下研究者们。
一作Brett J. Kagan,来自墨尔本的Cortical实验室,二作Andy C. Kitchen,来自同一机构。
该研究背后还有神经科学家Karl Friston参与,就是前文提及的自由能假设(free energy principle)提出者。
Karl Friston为伦敦大学学院教授,也是脑成像领域的权威科学家,他在2016年被Semantic Scholar评为最具影响力的10 位神经科学家名单中的第一名。
想进一步了解「盘中大脑」的读者,点击下面视频,可了解更多:
盘中之脑
参考链接:
[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
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