對話中科院生物物理所司光偉：“賽博果蠅”出圈，數(shù)字生命瓶頸在基礎(chǔ)科學(xué)

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學(xué)家》欄目第149期，對話中國科學(xué)院生物物理研究所研究員司光偉。

嘉賓簡介：

司光偉，中國科學(xué)院生物物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，認(rèn)知科學(xué)與心理健康全國重點實驗室，研究組長。研究方向為神經(jīng)編碼，運動控制、系統(tǒng)與計算神經(jīng)科學(xué)。

• 這次是用一個生物大腦結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，去控制一個生物的身體，不需要很復(fù)雜的訓(xùn)練就能做得不錯。說明連接組本身就蘊(yùn)含著一定的具身智能，我覺得這是最主要的貢獻(xiàn)。

• 數(shù)字生命真正的瓶頸在于基礎(chǔ)研究。微觀連接組的繪制是神經(jīng)科學(xué)的重要里程碑，也是理解大腦工作原理的新起點。

• 我們在神經(jīng)科學(xué)方面的研究雖然起步晚，但發(fā)展勢頭很好，猶如一支要長期大漲的股票的起點，正處在值得果斷投入的關(guān)鍵時期。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

一只小果蠅在屏幕上醒來，它梳理身體、轉(zhuǎn)身、覓食，每一個動作看起來好像與真的果蠅別無二致。然而，驅(qū)動這只虛擬果蠅的并非預(yù)設(shè)的動畫代碼，而是一個由12.5萬個神經(jīng)元、5000萬個突觸連接構(gòu)成的“數(shù)字大腦”。

近日，美國一家公司發(fā)布了一段演示視頻，在全球科技圈投下了一枚炸彈。這個被馬斯克驚嘆“Wow”的項目，首次實現(xiàn)了從生物連接組到物理模擬身體的完整閉環(huán)。

換句話說，科學(xué)家們不僅復(fù)刻了果蠅的大腦線路圖，還讓這個“賽博大腦”在一具虛擬果蠅軀體中真正“活”了過來。

這項技術(shù)的最終目的是什么？還存在哪些問題？未來人類是不是能像科幻片中的場景一樣，將自己的大腦上傳實現(xiàn)賽博永生？帶著這些問題，搜狐科技對話了中國科學(xué)院生物物理研究所司光偉研究員。

讓馬斯克點贊的“賽博果蠅”突破有多大？

司光偉的實驗室里，大大小小的儀器一應(yīng)俱全，兩間分別標(biāo)有18℃和25℃的屋子里存放著密密麻麻的瓶瓶罐罐。走近一看，每一只瓶身、瓶底，都趴著數(shù)不清的小點。

“看，這就是果蠅，比我們想象中的還要小些，它的神經(jīng)元相比于小鼠或者我們?nèi)祟悾家俚枚唷！彼竟鈧フf。

“我看到這段視頻是同事轉(zhuǎn)給我的，起初主要看到‘大腦上傳’、‘馬斯克驚呼’這些宣傳，后來讀了作者團(tuán)隊發(fā)布的文檔，發(fā)現(xiàn)它確實做得比以前好，但還在預(yù)期范圍內(nèi)。”

這項工作是基于此前的兩個方向的研究。一是繪制果蠅全腦微觀連接圖譜，能知道每個神經(jīng)元是怎么連接的，以及對這個網(wǎng)絡(luò)的計算模擬，不過還沒有身體。

另一個是用顯微CT等方法，把果蠅的外骨骼、關(guān)節(jié)等身體結(jié)構(gòu)刻畫得極其精細(xì)，做出了一個虛擬的果蠅身體，放在物理仿真平臺上模擬接觸、力等相互作用，但這個身體是用訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的，沒有“生物大腦”。

而這次的突破，就是把第一個工作中基于真實生物結(jié)構(gòu)的模擬大腦，裝進(jìn)了第二個工作中精細(xì)的身體模型里，讓它們結(jié)合起來。

“果蠅大腦的動態(tài)模擬，以前有人做過；果蠅身體的物理仿真，也有人做過。但這次是用一個生物大腦結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，去控制一個生物的身體，不需要很復(fù)雜的訓(xùn)練就能做得不錯。這說明腦連接組本身就蘊(yùn)含著一定的具身智能，我覺得這是最主要的貢獻(xiàn)。”司光偉解釋道。

他們的仿真基礎(chǔ)是靜態(tài)的“連接組”，把解剖的果蠅大腦進(jìn)行重金屬染色，切成40納米左右的薄片，再用電子顯微鏡逐層拍攝出超微結(jié)構(gòu)，最后把所有神經(jīng)元的形貌以及相互之間的連接重構(gòu)出來。

在這個靜態(tài)的“電路圖”上，基于一些已知的電生理數(shù)據(jù)給每個神經(jīng)元賦予參數(shù)，就像知道了電路里哪個是電阻、哪個是電容，然后根據(jù)圖紙做模擬。

不過，司光偉稱這里也存在一些問題。

一是神經(jīng)元的內(nèi)在參數(shù)不完整，神經(jīng)元有極高的多樣性，被系統(tǒng)研究的只占很小一部分。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身是非線性復(fù)雜系統(tǒng)，它的動力學(xué)行為對參數(shù)敏感。如果參數(shù)設(shè)置不對，系統(tǒng)的狀態(tài)會完全不同。

二是化學(xué)環(huán)境的缺失，比如興奮狀態(tài)下，多巴胺、去甲腎上腺素等神經(jīng)調(diào)制信號會改變神經(jīng)元的工作區(qū)間，但連接組只能看到結(jié)構(gòu)，看不到這些化學(xué)信息。微觀連接組還需要跟“化學(xué)連接組”來結(jié)合。

三是沒有可塑性，因為突觸的強(qiáng)弱被定格在標(biāo)本被制成的那一瞬間，就無法像真實大腦那樣隨環(huán)境適應(yīng)和學(xué)習(xí)進(jìn)程動態(tài)變化。

在司光偉看來，這個“賽博果蠅”的視覺、本能行為做得不錯，但運動控制部分明顯不完整。他們只模擬了大腦層面，沒有加入相當(dāng)于“脊髓”的真正控制軀體運動的神經(jīng)環(huán)路。

但在真實生物體中，大腦發(fā)出指令后，需要小腦、脊髓等器官以及肢體上的神經(jīng)反饋來精細(xì)執(zhí)行動作，而在這個模型里，大腦下達(dá)命令后，后續(xù)的執(zhí)行用的是簡化的行為模式，而不是基于生物神經(jīng)環(huán)路的控制。

此外，像相對復(fù)雜的涉及精細(xì)空間導(dǎo)航等認(rèn)知功能的腦區(qū)，尚不清楚是否被準(zhǔn)確模擬了。

“數(shù)字生命”真正的瓶頸在于基礎(chǔ)研究

這只數(shù)字果蠅無法學(xué)習(xí)新東西，也沒有長期記憶，如果想讓它具備簡單的學(xué)習(xí)能力，難度是不是很大？

對此，司光偉表示：“現(xiàn)在的神經(jīng)連接組已經(jīng)足夠精細(xì)，對于那些科學(xué)上研究得比較清楚的突觸可塑性機(jī)制，相對容易就可以在現(xiàn)有模型上加入，讓部分連接隨著經(jīng)驗和學(xué)習(xí)發(fā)生變化。”

但問題在于，被研究得清楚的機(jī)制畢竟還是少數(shù)；并且這些微觀機(jī)制，是否能在大尺度網(wǎng)絡(luò)上，復(fù)雜環(huán)境下起到預(yù)期的作用，還沒有被充分驗證過。

談到這，其實大家好奇的是，這項技術(shù)的最終目的是什么？未來數(shù)字人會不會真的成為可能？

對此，司光偉解釋道：“我覺得這個工作目前的作用是提供一個測試平臺，可以讓研究者用這個平臺來檢驗他們的想法，模擬實驗室里不容易做的復(fù)雜環(huán)境下的行為，從而發(fā)現(xiàn)一些新的問題。”

至于數(shù)字人，司光偉認(rèn)為軀體或者身體細(xì)節(jié)方面是相對容易做到的，但大家最關(guān)心的記憶、情感、意識等可能還非常難。比如，理解清楚意識的神經(jīng)涌現(xiàn)機(jī)制，就需要在基礎(chǔ)研究上先有突破。

但從果蠅到小鼠再到人腦，數(shù)字生命的時間線并不好預(yù)測。前期的積累過程可能會比想象中的更漫長，但一旦實現(xiàn)突破，可能會迎來爆發(fā)式的發(fā)展。

在司光偉看來，工程上繪制小鼠的全腦微觀連接組是可行的，選擇合適的技術(shù)路線，投入足夠資源，假以時日一定能夠做出來，也將會是神經(jīng)科學(xué)的重要里程碑。

但工程實現(xiàn)之后，就遇到科學(xué)上的瓶頸，從連接圖譜到理解各種認(rèn)知功能是如何從中涌現(xiàn)，仍需要大量的基礎(chǔ)研究工作。就像基因組計劃的完成，是生命科學(xué)的里程碑，也是系統(tǒng)理解生命過程的新起點。

那如果未來我們想在實驗室里看到一只“數(shù)字小鼠”，還需要多久呢？

“我覺得‘?dāng)?shù)字小鼠’的時間表取決于如何定義‘像’：第一步是樣子像，借助現(xiàn)有精細(xì)成像技術(shù)，相對比較快就能做到；接下來要動作像，需要對力學(xué)、材料、感覺運動控制等有系統(tǒng)的理解，會困難一些，但在未來也是可以預(yù)見的。”

“最終想要行為像，像真實小鼠那樣知道自己的窩在哪、可以向同伴傳遞信息、能夠與貓博弈，時間則難以估計。從‘形似’到‘神似’，數(shù)字生命的涌現(xiàn)會經(jīng)歷一個從漸進(jìn)積累到突破爆發(fā)的過程。”

神經(jīng)科學(xué)研究發(fā)展很快

當(dāng)被問及研究中的瓶頸時，司光偉沒有大談困難，反而分享了幾段令他“興奮”的瞬間。

在嗅覺研究中，與視覺不同，因為顏色本質(zhì)上是光的頻率，可以用一個簡單的物理參數(shù)來描述，但嗅覺世界卻雜亂無章，氣味分子聞起來有的刺鼻、有的愉悅，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)也是五花八門，似乎沒有簡單的坐標(biāo)軸。

“我們能從果蠅實驗數(shù)據(jù)的積累中感覺到，分子和受體之間的相互作用可能具有非常簡單的規(guī)律，就像光的頻率影響顏色感知一樣，但我們還無法精確描述它是什么。這讓我們既興奮，又無助，明明知道那里有規(guī)律，卻找不到合適的語言來描述它。我們在和化學(xué)家合作一起想辦法。”

在運動控制研究中，他們又遇到了另一個興奮瞬間。原本他們認(rèn)為某些神經(jīng)元只是“感受”身體狀態(tài)的感受神經(jīng)元，但實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激活這些神經(jīng)元時，果蠅的身體真的會表現(xiàn)出那種狀態(tài)，就像“所感即所得”。你控制它想要什么樣子，它就能讓你變成什么樣子。

司光偉提到的一個果蠅“頓悟”的現(xiàn)象。在訓(xùn)練果蠅將氣味與獎勵或懲罰聯(lián)系起來時，如果把很多個體的數(shù)據(jù)放在一起看，會得到一條平滑的學(xué)習(xí)曲線，訓(xùn)練次數(shù)越多，學(xué)會的比例越高。

但觀察單個果蠅時，故事則完全不同。有的果蠅第三次訓(xùn)練就突然會了，但第二次還不會；有的到第十次才會。每只果蠅都在頓悟，個體有差別，只是頓悟的瞬間不一樣。

果蠅研究帶來了這么多有趣的發(fā)現(xiàn)，司光偉覺得大家可能對果蠅的價值低估了。

“以當(dāng)下的技術(shù)，我們還沒有辦法像研究果蠅的大腦一樣精細(xì)、系統(tǒng)地研究人的大腦。而果蠅的神經(jīng)系統(tǒng)規(guī)模適中，各方面的知識與技術(shù)積累已相對完備，當(dāng)前正處于突破認(rèn)知功能的神經(jīng)涌現(xiàn)機(jī)制的關(guān)鍵窗口期。”

談及中國在連接組領(lǐng)域的位置時，司光偉坦言：“第一個線蟲的連接組是在英國做出來的，果蠅的連接組是在美國做出來的，其中果蠅幼蟲連接組團(tuán)隊后來去了英國。在這方面，美歐在我們前面。”

“不過，我們雖然起步晚，但發(fā)展勢頭很好，我們都期待著在未來的某個里程碑是我們中國科學(xué)家最先到達(dá)的。”司光偉說道。

司光偉本人是從物理學(xué)轉(zhuǎn)到生物學(xué)的，就像他說的那樣，“現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)才100多年歷史，很多很重要、很基本的問題都還沒有解決。神經(jīng)科學(xué)研究的層次很豐富，科學(xué)探索的空間還很大。雖然我們來晚了一些，但重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機(jī)會還是有很多的。”

所以對于那些有志于從事神經(jīng)科學(xué)的年輕人，司光偉稱現(xiàn)在就像“在一支要長期大漲的股票的低點，要抓緊買入”。而且機(jī)會均等，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域有各種專業(yè)背景的學(xué)者，大家把各個學(xué)科的方法和思想都帶進(jìn)來，一起來做。

“最后還要補(bǔ)充一點，數(shù)字果蠅的基礎(chǔ)是大量的實驗工作。神經(jīng)科學(xué)還遠(yuǎn)沒到只靠計算模擬的階段。計算與實驗的緊密結(jié)合，才能推動這一年輕學(xué)科的持續(xù)深入發(fā)展。”司光偉如是說。

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