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

衡宇 2022-10-15 12:27:29 来源：量子位

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