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“人造大脑”会打乒乓球了?但它恐怕没“意识”到自己在干嘛
发布时间:2022-01-24 09:12 来源:极客公园前沿社

近日,各路科技媒体纷纷报道了一则新闻:澳大利亚生物科技初创公司 Cortical Labs 用人类脑细胞培育的“微型大脑” Dish Brain 学会了打乒乓球。

这家公司早在两年前就开始关注“人造大脑”。彼时,他们正在建造“半机械大脑”,即把生物神经元嵌入到计算机芯片中,构成一个半生物,半机械的“微型大脑”。开发人员正尝试教微型大脑玩雅达利经典乒乓游戏 Pong。

两年之后,他们成功了:由上百万个人脑细胞组成的 Dish Brain 正娴熟地在游戏里挥拍击打乒乓球。

培养皿中的 Dish Brain | 图:Cortical Labs

这项研究是如何实现的?报道里通常都是这样解释的:

“Dish Brain下方铺设了微电极阵列,计算机将乒乓球的位置信息以电流的形式发送到电极上。神经元接受到电流刺激后做出挥拍反应,挥拍动作的方位信息再通过电流传回到计算机上。”

很多人对于这段解释的理解是,Dish Brain 能够根据目标自主地调整动作。现实真的是这样吗?“人造大脑”是否真的能够拥有类似人类的智慧?

要解答这个问题,我们首先需要知道 Dish Brain 是什么,以及它是如何运作的。

Dish Brain 属于“类器官”

类器官是由各种干细胞培育而成的,正常器官的小型化,简易化版本。

类器官培养起源于 2006 年,日本生物学家山中伸弥发现的一种混合蛋白质。这种蛋白质可以使皮肤细胞转化为“多能”干细胞,随后可以转化为神经元,肌肉细胞,或者血细胞。发育生物学家 Madeline Lancaster,在 2013 年采用该技术培育出第一个大脑类器官。其他研究人员很快也纷纷效仿,培养出了各种微型大脑。

类脑器官荧光染色图 | 图:Quora

Cortical Labs 实验中的“微型大脑”就是一个用人类诱导多能干细胞培育出的类脑器官。同大部分类脑研究一样,这项实验将大脑皮层作为培养对象,用来测试类脑在感观,运动等方面的能力。

Dish Brain 真的能够自主运作吗?

在很多类脑实验中,科学家都使用电刺激使神经元做出一些反应。

Dish Brain 通过铺设在底部的微电极与计算机交流。

首先,计算机将乒乓球的位置数据编码为电信号传达到微电极上。随着球不断移动位置,电流也被导向不同区域的电极:当球向左侧运动时,神经元左侧的电极被激活;当球向右侧运动时,则神经元右侧的电极被激活。

随后,电流通过电极传达到 Dish Brain 的神经元。首先接收到位置信息的是感官区域神经元。感观神经元随即将电信号传给对应位置的运动神经元。运动神经元负责在正确的时机下达动作指令。最后,动作指令被传回计算机,经过解码后转变为挥拍动作。

Dish Brain 培养以及计算机反馈流程| 图:Cortical  Labs

整个实验的关键在于,计算机为 Dish Brain 提供精确的动作反馈。每失掉一个球后,程序都会向神经元发送一个噪音信号。根据自由能量原则,大脑总是会通过下一次的动作修正来尽量避免噪音信号:每一次失球之后,就将击球位置向正确的方向移动一点点。这样,经过多个回合的训练后,大脑就能在正确的位置准确地击打到球了。

由此可见,Dish brain 并不是完全自主地判断球的位置并做出回应,整个游戏中的反馈机制才是 Dish Brain 学习的关键。但这样的反馈机制是通过电刺激来传导的,神经元本身并不具备自主分析误差的能力。

神经传导信息的方式 —— 电流

通过电刺激给神经元传达信息并不是一件新鲜事。

早在 18 世纪,科学家就发现神经系统是通过电信号传达信息的。意大利医生 Luigi Galvani 在一次实验中偶然发现,用微弱电流刺激已经死去的青蛙的大腿可以使肌肉收缩,拿开电流,肌肉则恢复到松弛状态。就这样,青蛙腿在电流的刺激下能够像活着时一样伸展,收缩。


Luigi Galvani医生通过电流刺激使青蛙腿部肌肉收缩,伸展 | 图:History Today

包括 Dish Brain 在内的大部分类脑实验中,通过电刺激引发的神经反应本质上和 “电流控制青蛙腿” 是相同的,只是一种完全生理性的,生物神经对电信号的应激表达。

那么,没有电刺激的情况下,神经元能否自发对外界信息做出反应?

2017年,哈佛大学的细胞生物学家 Paola Arlotta 用干细胞培育出了一个含有视觉细胞的微型大脑。实验发现,这些视觉细胞可以对光照作出反应。当用光照射培养皿时,视觉细胞会自发地开始放电。这种感光反应和人类视网膜上的光感细胞受到光刺激时的反应基本相同。

人类视觉细胞 | 图:Quora

不同的是,人类视网膜上的光感细胞受到光刺激后会以电信号的方式进一步向上级传达,通过视神经,经过丘脑,最后发送到视觉信息处理中心—— 枕叶 ( occipital lobe)。而在 Paola Arlotta 的实验中,虽然感光细胞对光照做出了明显的反应,但由于缺少更深层的神经网络,“微型大脑”并不具备进一步传导和分析光信号的能力。

人类大脑枕叶 (Occipital Lobe)| 图:Biology Dictionary

因此,即使类脑器官能够自发地对外界信息做出反应,也只能说明视觉细胞之间形成了电路,不能认为类脑器官真正“看”到了光。举一个自然世界的例子,就好比变色章鱼能够根据环境改变皮肤的颜色,但并不代表每个皮肤细胞都具有分辨颜色的能力。

那么,类脑是否能够自主地摄取信息,分辨信息?换句话说,类脑能否“有意识地”回应外界信息?

通过脑电波寻找“意识”

正常人类的大脑在活动时会产生有规律的脑电波,不同状态下的脑电波会在强度,形态,和时间相关性上大相径庭。如果借鉴临床上对于意识的判定标准,有意识的大脑相比于无意识状态下呈现的脑电波更加复杂且难以预测。

不同状态下脑电波形态 | 图:Myndlift

医学上通常认为植物人或者处于昏迷状态的大脑是不具备意识的。但有研究显示,植物人或昏迷状态的大脑或许也能对外界刺激做出一些微妙的反应:当病人被要求思考关于走路的问题时,大脑皮层的运动信息处理区域显示被激活。但显然,这种激活状态并不能代表“意识”真的存在。

最接近有“意识”的类脑研究来自于加利福尼亚大学的Muotri教授及其团队。研究者们通过诱导干细胞培育出了一个微型“大脑皮层”,并且探测到了非常类似于早产婴儿的脑电波信号。

在培养进行到两个月左右时,研究人员监测到大脑类器官出现了脑电波活动,当时这些信号还非常稀疏,频率一致,与人类大脑发育早期的模式相似。随着类器官继续发育,它们开始以不同频率产生脑电波,信号也变得更加规律。通过对比 6 - 9 月龄的婴儿脑电波,研究者发现类脑在每个阶段都表现出了与同时期婴儿十分相似的脑电波,因此研究者认为类脑基本上模拟了人类大脑初期的发育过程。

类脑培养及脑电波变化 | 图:Moutri Lab

而对这项研究的质疑主要在于,类似早产儿的脑电波并不意味着可以将类脑与婴儿大脑划等号。婴儿的脑电波与成人不同,往往呈现出非常杂乱,无规律的波动。婴儿脑电波数据库的建造者 Helsinki 大学教授 Sampsa Vanhatalo 认为,由于婴儿脑电波信号的杂乱和无序性,研究者很难明确归纳各个时期婴儿的脑电波图像特征。这就导致了将类脑器官的脑电波信号与婴儿对比本质上就不具有客观的关联性。

孕期不同阶段婴儿的脑电波形态 | 图:NCBI

问题的关键在于,目前的学术界并没有明确的定义说明什么才是“意识”。

模糊定义

“意识”翻译成英文有两种表达:awareness 和 consciousness. 前者更多被用来表达对事物具有认知,而后者则表示对“认知”这件事本身具有认知 (或者可以称作“元认知”)。说到底,这两种定义的差别在于是否能够明确认识到“自我”。

由于大脑功能具有整体性,负责特定功能的脑区需要其他脑区的配合才能使我们在日常活动中游刃有余。因此,功能和脑区并不是简单的一对一联系。这个逻辑对于“意识”而言也同样适用。

大脑中不同区域神经元之间互相连接 | 图:ResearchGate

例如,根据一种称为综合信息论的思想,意识是神经元网络在大脑中连接的密集程度的产物。相互作用的神经元越多,意识的程度就越高 —— 这个量被称为 phi。如果 phi 大于零,则认为机体是有意识的。由于神经元的连接程度往往和思维能力成正比,这里的 phi 可以被具象地理解为认知水平或智力。因此,这个理论所定义的“意识”更加侧重“awareness”, 即对世界的认知。

如果遵循这样的定义,那么绝大部分的动物都具有意识。这样定义的“意识”似乎更接近于“感观”。例如视觉,听觉,触觉等等,都属于感官的范畴。感官信息的采集和分析基本都有对应的脑区。例如,前文提到的视觉信息处理区域在枕叶。视觉信息到达枕叶后首先被分解为一个个特征,比如形状,亮度,颜色等等;然后,这些基础信息被上传到更高层的处理系统,在这里完成物体识别,最终形成我们眼中看到的图像。

这个流程好像和计算机的深度学习模型雷同?没错,深度学习正是模拟人脑的神经网络进行搭建的。不同之处在于,计算机神经网路是基于大数据采集,提炼出特征,“从下之上”地建立的一套模型。而人脑和动物的大脑能够依靠主观判断,认识到“我要做什么”,从而根据目标“从上至下”地搜索特定信息。例如,当你的胃向大脑传递信号“我饿了”,你的大脑则会下达指令“寻找食物”。通过注意力机制,视觉系统最终会将目光锁定在食物上 —— 这就是人脑与计算机最本质的区别:自主性。

意识的自主性

自主性在意识中的体现在于,能够识别并突出“自我”。相比于前文引用的综合信息论,这样定义的“意识”更加接近于“consciousness”.

笛卡尔的名言 “我思,故我在” 就反映了“自我”对于意识的重要性。哲学上对于“主观意识”的讨论不止于此,但对于脑科学来说,值得关注的重点在于意识是由哪里产生的。这个问题早在现代医学诞生之前就出现了,当时有两派观点:一派认为意识不能脱离肉体独自存在,产生意识的地方位于大脑深处,一个很小的球状组织里(现代医学中的杏仁核);另一派观点则认为意识和肉体是分离的,意识客观存在。

法国哲学家、数学家、物理学家勒内·笛卡尔 | 图:The MIT Press Reader

虽然这个问题至今没有明确的答案,但对于“自我”的感知在大脑里是有迹可循的。例如,研究发现当大脑思考与“自我”相关的内容(如个人价值,和亲人的关系等)时,大脑皮层前额叶内侧的一片区域被显著激活。

大脑中与自我相关的区域:前额叶内侧 | 图:Youtube

自我意识驱动的“自主性”或许是生物主动摄取信息,做出行动的关键。这种带有目的,主动探索世界的意识是在进化的过程中逐步完善的。和现代生物不同,早期的生物并没有大脑皮层。它们的大脑仅仅包含着一些调控生命体基本运作的神经组织。例如控制生物进食,体温,以及昼夜节律等功能的下丘脑,和负责情绪感知的杏仁核。

早期生物的大脑只有图中绿色的部分,大脑皮层(图中蓝色区域)是逐渐进化出来的 | 图:Dreamstime

这些脑组织不具备高等的思维能力,不能让生物“自主地”探索外界世界。因此,早期生物的生命活动只是一些简单的应激反应。而代表着高等思维能力的大脑皮层直到2亿多年前才进化出来。至此,生物才有了真正意义上的“意识”。

意识的 “幕后”

关于 Dish Brain 是否具有意识的问题,现在看来答案似乎是否定的。尽管各种研究显示,类脑具有正常大脑的活动表征,但是这些表征仅仅停留在最浅层的神经元活动上。讽刺的是,现实往往存在悖论。高度抽象的“意识”也是由各种感观和过往的学习经历杂糅而成,脱离具象的感观基础谈“意识”或许并不是一个严谨的方向。但至少在现在,仅仅通过神经元对电刺激产生的反应就判断其具有“意识”依然为时尚早。

在未来,人工智能或类脑的计算能力也许会远远超过人类大脑。在某些领域里,人类甚至需要完全依赖人工智能来完成复杂的计算工作。但人脑在计算之外,通过种种经历和感观赋予我们的感受,依然是目前的技术难以比拟的。

正如费尔德曼 - 巴雷特所说:“你曾经有过的每一个想法,你学到的每一个概念,你经历过的每一种情绪,以及你所看到、听到、闻到、尝到或触摸到的一切,都包括关于你身体状态的数据。你不会以这种方式体验你的精神生活,但那是 ‘幕后’ 发生的事情。”

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