科學家正嘗試訓練實驗室培育大腦

來源：參考消息

編譯：曹衛國

據美國《大眾機械》月刊網站3月11日報道，科學家正在嘗試訓練實驗室培育大腦。

雖然人造器官聽起來像是科幻小說素材，但實際上科學家對這一設想的實驗探索已有超過一個世紀。例如，美國生物學家亨利·范彼得斯·威爾遜曾在1907年驗證了實驗室培育器官（即“類器官”）的基本原理，他展示了從海綿中分離出的細胞如何在體外自我組織和再生。幾十年來，這種探索在形形色色的動物身上持續進行，直到2009年科學家最終利用小鼠腸道干細胞制造出了首例三維類器官。

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在隨后的十幾年里，類器官變得日益復雜，為科學家研究機體中的細胞、組織和器官如何工作提供了新途徑，也為開發潛在療法提供了更為低廉和符合倫理的平臺。類器官備受矚目的應用場景之一便是我們對于大腦這個最為復雜器官的持續探索。

在美國《細胞報告》雜志發表的一項新研究中，加利福尼亞大學圣克魯斯分校的科學家團隊成功訓練了一個由小鼠干細胞培育出的大腦類器官，以解答被稱為“倒立擺問題”的工程學基準測試題。由于這種類器官缺乏身體，且無生物學目標意識或感官體驗，這一學習行為證明適應性計算可能是皮層組織自身固有的特性。

論文第一作者、加州大學圣克魯斯分校博士生阿什·羅賓斯在聲明中說：“我們正試圖理解神經元如何能在適應性調整后具備解題能力的基本原理。如果我們能在培養皿中弄清驅動這一過程的機制，這將為我們研究神經系統疾病如何影響大腦的學習能力開辟新途徑。”

該大腦類器官大小僅如胡椒粒，但里面裝載著數百萬個神經元，它被固定在一個特制芯片上，這使得科學家能夠觀察和控制特定神經元的放電。研究人員使用了一個電生理系統，利用電刺激發送和接收來自神經元的信息。他們采用經典的“倒立擺問題”來測試這一系統。這是一種平衡能力測試，類似于把一根直尺豎著立在手上，并根據位移和重力不斷調整位置以保持其平衡。研究人員“教導”這個類器官利用或弱或強的電信號來平衡一根電腦模擬的桿子。如果該類器官無法在超過平均時限的時間內保持桿子平衡，它就會通過一個人工智能算法接受“強化學習”，該算法會選擇對哪些神經元進行訓練。

羅賓斯在新聞聲明中說：“你可以把它想象成一個人工智能教練，它會說，‘你做得不對，往這邊稍稍調整一下’，我們正在學習如何最高效地給予它這些指導信號。”

科學家們發現，隨機性訓練只能實現4.5%的成功率，而適應性訓練可以把成功率大幅提高到46%。不過，一旦該類器官休息超過45分鐘，這種短暫的學習記憶便幾乎完全消失。由于類器官不像人類（或小鼠）那樣擁有多個大腦區域，它無法保留長期的學習記憶。

這并不是實驗室培育大腦首次接受解決特定問題的訓練。2022年，科學家曾訓練一個人工合成大腦學習如何玩一款著名的乒乓球電子游戲。而在最近，其他研究人員還開發了使用人類大腦細胞的神經形態平臺。對于加州大學圣克魯斯分校的研究人員來說，目標是開發一個能夠幫助科學家治療神經系統疾病的大腦類器官平臺。但隨著研究的日益精進，尤其在涉及人類干細胞時，專家們還將思考一個同樣重要的倫理問題：這些類器官究竟在多大程度上是有生命的？

論文聯合作者、加州大學圣克魯斯分校的戴維·豪斯勒在新聞稿中說：“我們希望明確一點，我們的目標是推進大腦研究和神經系統疾病的治療，而不是用實驗室培育的動物腦組織取代機器人控制器和其他類型的計算機。后者也許看起來很酷，但會帶來嚴重的倫理問題，尤其是在使用人類大腦類器官的情況下。”