生物计算时代来临：培养皿中的"大脑"正在重新定义计算边界

抖音推荐 2025年08月19日 03:33 1 admin

科学幻想正在成为现实。在全球多个实验室中，科学家们正在培养皿中培育微型"大脑"，并将其与数字接口连接，让这些由真实人类脑细胞组成的生物计算机执行各种任务。从澳大利亚Cortical Labs让"培养皿大脑"玩Pong游戏，到中国研究人员用人脑细胞控制机器人，再到瑞士Final Spark公司提供云端生物计算服务，类器官计算正在以惊人的速度从实验室走向商业化应用。这一突破性技术不仅挑战了传统计算机的设计理念，更引发了关于意识、伦理和未来计算形态的深刻思考。

约翰斯·霍普金斯大学的托马斯·哈通教授在一次在线论坛上提到，1966年《星际迷航》中柯克船长遇到的由活体大脑构成的计算机，在当时纯属科幻想象，而如今他们正努力将这一概念变为现实。这种被称为"类器官计算"或"生物计算"的新兴技术，正在全球范围内快速发展，各国科研团队和初创公司纷纷投入这一可能彻底改变计算领域的革命性技术。

含有人类细胞的DishBrain芯片。图片来源：Cortical Labs提供。

生物计算的核心优势在于利用了人脑神经元的天然计算能力。虽然人脑在处理简单数学问题时可能不如机器快速，但在处理复杂信息，特别是面对不确定数据时，人脑的表现远超传统计算机。更重要的是，人脑能够进行并行处理，同时运行整体任务的不同部分，而且能耗极低。科学家估算，要数字化复制一个人脑的活动，需要建造大型新发电厂来提供足够的电力，因为传统超级计算机需要消耗大约一百万倍的能量才能模拟人脑的一小部分功能。

技术突破与商业化进程

Cortical Labs的布雷特·卡根博士领导的团队在2022年成功让他们的"培养皿大脑"学会了玩Pong游戏，这一突破让全世界都看到了生物计算的巨大潜力。如今，该公司已经从纯研究转向商业化产品开发，他们的商业化产品看起来像计算机主机或服务器，在机架中安装了40个生物计算单元，通过数字方式连接，每个培养物有60个接触点。

卡根表示，在过去12个月中，公司规模迅速扩大，团队人数达到16-17人，目前全球各大机构都在通过云端使用他们的现有设备进行研究。他们预计在未来一年左右，大型机构将能够购买单个设备或整个服务器机架用于自己的研究项目。个体细胞培养预计可以存活6个月左右，然后需要更换。

瑞士Final Spark公司采用了另一种独特的方法，他们的类器官采用"气液界面"技术，即类器官不完全浸入液体介质中，大部分与空气接触，但表面仍有100微米厚的液体介质层。该公司已经允许9所大学远程访问他们的3D类器官库，研究人员甚至可以在公司网站上实时观看实验进行。每个Final Spark类器官通过8个电极连接，公司创始人弗雷德·乔丹认为这对目前的研究已经足够。

约翰斯·霍普金斯大学的大卫·格雷西亚斯教授是该校20-30名直接或间接参与生物计算研究的首席研究员之一。他指出，类器官计算之所以在此时快速发展，是因为多种技术同时成熟：能够让细胞在培养皿中存活数月的技术、人工智能帮助运行多重实验并解释大量数据的能力，以及连接类器官的数字接口微型布线技术。

技术挑战与创新解决方案

生物计算面临的技术挑战是多方面的。首先是如何保持类器官存活。格雷西亚斯解释说，没有血管的情况下，无法培育超过几百微米的结构，因为更大的结构中心会开始死亡。因此，研究人员正在努力开发在类器官中制造血管的技术。

另一个重大挑战是连接问题。类器官是"湿件"，需要保持在液体介质中才能存活，但水是计算机的天敌，会导致电路短路。格雷西亚斯表示："这将是计算机的范式转变，即学会如何构建含有水分的计算机，能够保持介质的'灌注'或流动。"

为了解决数字连接问题，格雷西亚斯开发了微型外壳，可以包裹在微小的3D大脑类器官周围，在多个点记录活动。这个设计受到测量大脑活动的EEG头盖的启发。他还在探索"电子纹身"或非接触式无线技术，以减少连线需求，可能使用光或电磁场进行通信。

理解类器官的"语言"是另一个关键挑战。格雷西亚斯说："你我说英语，但大脑说的是化学和电信号的语言。我们必须学习大脑的语言，这不是一件容易的事。"研究人员需要向类器官发送数百万个信号来理解它们的响应方式，以及这些响应如何随时间变化，即它们如何"学习"。

教授类器官执行任务类似于教小孩，需要奖励和惩罚机制。研究人员必须找出大脑类器官"喜欢"什么，当它重复某个模式时给予奖励，可能是电刺激或化学物质。当它做不希望重复的事情时，就给它不喜欢的东西。格雷西亚斯目前的研究包括给类器官提供多巴胺等神经化学物质，试图创造一个能够刺激和记录化学和电刺激的多模式外壳。

伦理考量与未来前景

测量类器官的活性：可以在类器官周围包裹一个微小的外壳来检测它们的活性（单位为微伏，μV）。用外壳包裹3D类器官使研究人员能够同时检测多个点的活动。

随着生物计算技术的快速发展，伦理问题变得日益重要。研究人员经常被问及类器官是否需要睡眠。格雷西亚斯坦率地说："我不知道。我的意思是，什么是睡眠？这些东西创造了非常深刻的问题，比如什么是意识？"

Final Spark公司约6个月前开始关注类器官的睡眠问题，现在他们所有的类器官在每24小时周期内都有休息时间。乔丹说："我们以前把这当作机器来考虑，但这可能是个错误。这是一个活的有机体，我们必须确保它处于执行任务的良好状态。"

哈通和约翰斯·霍普金斯大学团队领导了一个国际论坛，于2023年制定并发布了《巴尔的摩类器官智能探索宣言》，为这个相对新兴的行业发展建立了伦理框架。该宣言指出："我们还需要预见并解决与这项研究相关的重大且基本上未被探索的伦理挑战。我们必须警惕类器官可能发展出意识形式或意识方面的任何可能性。"

其他伦理关切围绕着有机体何时发展出知觉或意识的复杂问题，以及类器官是否能感受到疼痛，特别是当外部"感觉"设备如光传感器或化学传感器连接到它们时。

像这样的脑细胞正在由皮质实验室培养，用于计算。图片来源：Cortical Labs提供。

卡根强调，所有参与《巴尔的摩宣言》制定的研究人员都在每一步与伦理学家合作。"我们不是等到愤怒发生才行动。我们正在思考如何不仅与伦理界合作，而且与整个社会协调建设这项技术。"

尽管反乌托邦科幻作品描绘了有机计算机获得知觉并控制人类的恐怖场景，但乔丹认为目前不必过度担心。"问题是现在我们只有几千个神经元。所以我们更像是在蚊子的领域，而不是人类。但对未来来说，这仍然是一个值得思考的好问题，因为可扩展性是存在的。"

当被问及时间框架以及何时类器官计算机能够用于更复杂的任务时，格雷西亚斯微笑着说："我觉得有个笑话说学者们总是说'5年左右'，但你知道，这是非常非线性的。有句话据说是尤吉·贝拉说的，'做预测很困难，特别是关于未来的预测'。所以我们真的不知道。"

科学未来主义者、技术影响者和作家凯瑟琳·鲍尔博士对类器官计算的潜力充满信心："潜力是巨大的，真的没有什么可以与之比较的。人类神经元总是胜过硅创造——它总是最好的方式。所以，使用最好的认知类型——人脑——以微小的形式，这似乎是合乎逻辑的。这太有意义了。"

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