“活體腦細(xì)胞”登錄游戲中

針管扎進(jìn)張漢文(Hon Weng Chong)的手臂，抽走了幾管血液。六周后，他來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，看到顯微鏡下的那團(tuán)來(lái)自于他的血液的細(xì)胞，沒(méi)有多想。"OK，挺不錯(cuò)的。"他說(shuō)。

不久后，這團(tuán)細(xì)胞所分化的神經(jīng)元學(xué)會(huì)了玩經(jīng)典街機(jī)游戲《Pong》，2026年初，它又學(xué)會(huì)了運(yùn)行第一人稱(chēng)射擊游戲《毀滅戰(zhàn)士》（DOOM）。在公布的視頻中，被操控的玩家角色在三維的迷宮中穿行，時(shí)而開(kāi)槍?zhuān)紶栟D(zhuǎn)向，有時(shí)也會(huì)撞墻。

上：《Pong》是一個(gè)模擬乒乓球比賽的2D游戲

下：《毀滅戰(zhàn)士》是在1993年推出的一款具有里程碑意義的射擊游戲

張漢文在2019年創(chuàng)辦了生物科技公司 Cortical Labs，致力于將實(shí)驗(yàn)室培育的神經(jīng)元與硅硬件相結(jié)合，創(chuàng)造一種完全不同于傳統(tǒng)芯片的計(jì)算方式。這家墨爾本公司研發(fā)的CL1是世界上第一臺(tái)可以部署代碼的生物計(jì)算機(jī)。

體外培養(yǎng)的活體腦細(xì)胞在CL1中存活、學(xué)習(xí)甚至開(kāi)始玩電子游戲，所需要的能耗遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的電腦。當(dāng)現(xiàn)在的科技執(zhí)著于不斷提高算力的時(shí)候，Cortical Labs逆流而行，將自己的技術(shù)路線(xiàn)命名為“合成生物智能”（Synthetic Biological Intelligence），刻意與“人工智能”區(qū)分。他們探索著真實(shí)神經(jīng)元的自組織能力、樣本效率和能量效率。

張漢文現(xiàn)居住于墨爾本，擁有醫(yī)學(xué)和軟件工程師背景

六月，NOWNESS在上海一家咖啡館見(jiàn)到張漢文，他向我們展示了那臺(tái)售價(jià)為3萬(wàn)5千美金（約25萬(wàn)人民幣）的CL1，它的大小如同舊式的Windows主機(jī)，能裝載神經(jīng)元的”芯片”只有手掌大，機(jī)體一側(cè)配備了USB等必要的接口，也裝有允許空氣和二氧化碳等氣體進(jìn)入的藍(lán)色小孔。

圍繞這塊“活著的芯片”，NOWNESS與他展開(kāi)了關(guān)于生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及智能與意識(shí)邊界的種種討論。

張漢文向NOWNESS展示生物計(jì)算機(jī)CL1

《Pong》是雅達(dá)利在1972年推出的一款投幣式街機(jī)游戲，其英文名稱(chēng)“Pong”來(lái)自乒乓球擊打后所發(fā)出的聲音。游玩的規(guī)則十分簡(jiǎn)單，玩家控制一塊球拍上下移動(dòng)，把飛來(lái)的小球不斷擊回去以?shī)Z取高分。

這個(gè)對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)十分簡(jiǎn)單的游戲，對(duì)于一團(tuán)脫離身體、生活在培養(yǎng)皿里的神經(jīng)元來(lái)說(shuō)卻很困難。

Cortical Labs演示腦細(xì)胞玩《Pong》的過(guò)程

首先，如何能讓一團(tuán)神經(jīng)元“看見(jiàn)”這個(gè)世界？研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套特殊的系統(tǒng)，將游戲里的信息翻譯成神經(jīng)元能夠理解的語(yǔ)言。球拍和乒乓球在屏幕上的相對(duì)位置，會(huì)被編碼為特定空間位置和頻率的電脈沖，傳遞給活體芯片上的“感覺(jué)區(qū)” 。

與此同時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)著這塊芯片的”運(yùn)動(dòng)區(qū)”神經(jīng)元的放電活動(dòng)。當(dāng)負(fù)責(zé)"向上"移動(dòng)的神經(jīng)元更加活躍時(shí)，球拍便向上移動(dòng)；代表"向下"的神經(jīng)元占據(jù)優(yōu)勢(shì)時(shí)，球拍則向下移動(dòng)。

Cortical Labs演示腦細(xì)胞如何玩《Pong》和《毀滅戰(zhàn)士》

于是，一塊神經(jīng)元芯片開(kāi)始擁有了"感知"和"行動(dòng)"。

這是一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)行的電生理閉環(huán)控制系統(tǒng)。神經(jīng)元接收刺激、做出反應(yīng)，再根據(jù)新的反饋不斷調(diào)整自己的放電模式。與今天依賴(lài)海量數(shù)據(jù)離線(xiàn)訓(xùn)練、再進(jìn)行推理的大語(yǔ)言模型不同，這些神經(jīng)元在每一次輸入與輸出中進(jìn)行著持續(xù)的學(xué)習(xí)。

CL1中裝載神經(jīng)元的芯片

張漢文團(tuán)隊(duì)花了漫長(zhǎng)的時(shí)間開(kāi)發(fā)軟硬件接口來(lái)搭建這個(gè)系統(tǒng)。游戲中的球拍與小球位置需要實(shí)時(shí)編碼為“感覺(jué)區(qū)”的電脈沖刺激，系統(tǒng)需要同步捕捉神經(jīng)元的微弱電信號(hào)將其轉(zhuǎn)化為“運(yùn)動(dòng)區(qū)”的球拍移動(dòng)信號(hào)。這在軟件和硬件的結(jié)合運(yùn)用上有著巨大的工程難度。

與此同時(shí)，讓這些神經(jīng)元一直活著也是一項(xiàng)極其繁瑣、昂貴而且困難的工程，設(shè)備必須在體外實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)控并平衡二氧化碳、氧氣、營(yíng)養(yǎng)液、酸堿度（pH值）以及溫度。這些物理參數(shù)彼此高度關(guān)聯(lián)、牽一發(fā)而動(dòng)全身，在流動(dòng)的微管路中很難維持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

這些活體神經(jīng)元的壽命據(jù)說(shuō)“長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月”

在實(shí)驗(yàn)室成立初期，團(tuán)隊(duì)甚至沒(méi)有足夠的資金購(gòu)買(mǎi)多巴胺來(lái)進(jìn)行化學(xué)層面的“獎(jiǎng)懲”刺激。于是，他們轉(zhuǎn)向神經(jīng)科學(xué)家Karl Friston提出的自由能量原理，設(shè)計(jì)出一套完全依賴(lài)物理刺激的獎(jiǎng)懲機(jī)制：規(guī)律、可預(yù)測(cè)的正弦波代表"獎(jiǎng)勵(lì)"，混亂、隨機(jī)的白噪音則代表"懲罰"。神經(jīng)元天生傾向于降低環(huán)境中的不確定性，最終，張漢文團(tuán)隊(duì)馴化了這些細(xì)胞。

大半年后，這團(tuán)只有二十多萬(wàn)枚神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)——規(guī)模甚至不到一只蜜蜂大腦的四分之一——學(xué)會(huì)了打《Pong》。有了第一次成功，隨著底層架構(gòu)不斷完善、系統(tǒng)可編程性提高，很快，團(tuán)隊(duì)成員肖恩就讓同一套神經(jīng)元系統(tǒng)學(xué)會(huì)了運(yùn)行游戲《毀滅戰(zhàn)士》。

“游戲是對(duì)真實(shí)世界最好的模擬。所有人工智能的發(fā)展，幾乎都從游戲開(kāi)始。”張漢文說(shuō)。從《Pong》到 AlphaGo，再到《星際爭(zhēng)霸》系列，這些寫(xiě)進(jìn)人工智能史的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，本質(zhì)上都在回答同一個(gè)問(wèn)題：一個(gè)系統(tǒng)會(huì)不會(huì)因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)改變自己。

AlphaGo是DeepMind的人工智能?chē)遘浖?015年擊敗歐洲冠軍樊麾

2022年底，團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)研究發(fā)表在頂級(jí)期刊《Neuron》上。一時(shí)間，“會(huì)打游戲的神經(jīng)元”“培養(yǎng)皿里的智能”等標(biāo)題占據(jù)媒體版面。隨之而來(lái)的，還有一連串更大的問(wèn)題：如果一團(tuán)脫離人體的神經(jīng)元能夠?qū)W習(xí)，它距離真正的大腦還有多遠(yuǎn)？如果智能能夠存在于培養(yǎng)皿中，人類(lèi)是在創(chuàng)造一種新的生命，還是僅僅發(fā)現(xiàn)了一種新的計(jì)算方式？

過(guò)去幾十年，人工智能不斷優(yōu)化算法，讓機(jī)器越來(lái)越擅長(zhǎng)學(xué)習(xí)。今天的大語(yǔ)言模型，本質(zhì)上仍遵循著”訓(xùn)練—推理”的兩階段模式，但生命似乎采用的是另一套完全不同的學(xué)習(xí)機(jī)制。

AlphaStar 是由 DeepMind 開(kāi)發(fā)的用于玩《星際爭(zhēng)霸 II》 的人工智能軟件

"對(duì)于生物神經(jīng)元來(lái)說(shuō)，訓(xùn)練和推理幾乎是同時(shí)發(fā)生的。"張漢文說(shuō)道。一個(gè)孩子第一次見(jiàn)到貓，并不需要看過(guò)幾百萬(wàn)張圖片，就能夠逐漸理解“貓”這個(gè)概念。

硅基模擬可以在虛擬空間中無(wú)限復(fù)制、擁有獨(dú)立的開(kāi)關(guān)鍵。真實(shí)的碳基生物不同，它們絕對(duì)服從物理定律與能量限制。在自然界中，生物系統(tǒng)沒(méi)有重來(lái)的機(jī)會(huì)。生與死之間沒(méi)有切換鍵。哪怕是在睡眠狀態(tài)下，生物也必須持續(xù)活著并利用睡眠整理信息。

CL1中的神經(jīng)元由志愿者（包括張漢文本人）捐贈(zèng)的皮膚或血液細(xì)胞培育而成

生存壓力塑造了生命極高的效率。張漢文說(shuō)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用馮·諾依曼架構(gòu)，存儲(chǔ)與計(jì)算彼此分離，數(shù)據(jù)需要不斷往返傳輸，近九成能量都消耗在搬運(yùn)信息上。而生物天生就是一套”存算一體"系統(tǒng)。人類(lèi)大腦只需約20瓦功率，就能完成今天人工智能仍需要巨大算力才能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜判斷。

張漢文舉了一個(gè)更簡(jiǎn)單的例子：桌上的杯子突然滑落，一個(gè)成年人會(huì)馬上伸手去接。“這個(gè)動(dòng)作看起來(lái)簡(jiǎn)單，背后卻包含著大量實(shí)時(shí)計(jì)算。杯子的重量、速度、旋轉(zhuǎn)角度，身體與桌子的距離，手臂應(yīng)該怎樣運(yùn)動(dòng)，都會(huì)在不到一秒鐘內(nèi)完成判斷。”張漢文解釋道，“更重要的是，這可能是你第一次見(jiàn)到這個(gè)杯子。”

顯微鏡下體外培養(yǎng)的神經(jīng)元集合體

為什么神經(jīng)元能夠做到，而今天的人工智能做不到？這便是研究生物計(jì)算最迷人的地方，也正是張漢文團(tuán)隊(duì)很想回答的問(wèn)題之一。那些經(jīng)過(guò)數(shù)十億年演化形成的碳基學(xué)習(xí)機(jī)制，或許依然是人類(lèi)能夠找到的最優(yōu)解。

如果只是為了制造一臺(tái)更快、更便宜的計(jì)算機(jī)，神經(jīng)元并不是理想的材料。

在張漢文向NOWNESS展示的生物計(jì)算機(jī)CL1中，真正負(fù)責(zé)計(jì)算的神經(jīng)元芯片只有小小一塊，但為了讓這團(tuán)活細(xì)胞持續(xù)存活，整臺(tái)設(shè)備的大部分空間都被維持生命的系統(tǒng)占據(jù)，培養(yǎng)液甚至需要定期更換，一旦神經(jīng)元死亡，整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)也隨之失效。相比之下，硅基芯片更加穩(wěn)定、廉價(jià)。

張漢文在向NOWNESS展示CL1的硬件構(gòu)成

既然如此，為什么還要用神經(jīng)元？

20多萬(wàn)神經(jīng)元就可以打游戲。張漢文認(rèn)為，如果我們能夠徹底搞懂神經(jīng)元是如何學(xué)習(xí)的，或許就能直接向大腦寫(xiě)入信息。他所想象的終極場(chǎng)景是未來(lái)的溝通可以直接通過(guò)腦機(jī)接口“想”一段話(huà)，然后無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)綄?duì)方的大腦里，實(shí)現(xiàn)真正的心靈感應(yīng)。

CL1游玩《毀滅戰(zhàn)士》實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

而構(gòu)建這一切的基礎(chǔ)是對(duì)山中因子的利用。山中因子是日本科學(xué)家山中伸彌發(fā)現(xiàn)的四種特定基因轉(zhuǎn)錄因子。它們的核心功能是將體細(xì)胞（如皮膚細(xì)胞或血液細(xì)胞）重新編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs），使其回到接近胚胎干細(xì)胞的狀態(tài)。重新編程后的細(xì)胞又獲得了分化成人體幾乎任何一種細(xì)胞的潛力。也就是說(shuō)，一份血液，就能夠重新培養(yǎng)出屬于這個(gè)人的腦細(xì)胞。

這種技術(shù)意味著，生物計(jì)算的未來(lái)并不僅屬于計(jì)算機(jī)。

在高倍電子顯微鏡下觀察Cortical Labs的芯片，可以看到神經(jīng)元和硅基底之間緊密的連接

張漢文認(rèn)為，它更大的價(jià)值可能首先發(fā)生在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。患者或許可以利用自身的血液培育出專(zhuān)屬于自己的“芯片”，科學(xué)家可以在體外精準(zhǔn)測(cè)試藥物對(duì)腦細(xì)胞的認(rèn)知副作用，并在平臺(tái)上深入研究癲癇等腦部疾病的治療方案，徹底擺脫傳統(tǒng)新藥研發(fā)中漫長(zhǎng)且高風(fēng)險(xiǎn)的臨床試錯(cuò)過(guò)程。

然而，當(dāng)培養(yǎng)皿里的神經(jīng)元開(kāi)始學(xué)習(xí)，人們也不可避免會(huì)問(wèn)出另一個(gè)問(wèn)題：它們距離真正的大腦和意識(shí)還有多遠(yuǎn)？

Cortical Labs“芯片”宣傳圖

張漢文說(shuō)：“我們絕不應(yīng)該創(chuàng)造具有意識(shí)的生物計(jì)算系統(tǒng)。在哲學(xué)層面上，一旦某個(gè)實(shí)體擁有了意識(shí)，它便天然具備了感受痛苦的潛在可能性，而在倫理上去創(chuàng)造一個(gè)可以遭受痛苦的系統(tǒng)或事物，是完全不可接受的。”

在他看來(lái)，智能（Intelligence）并不等同于靈魂；學(xué)習(xí)（Learning）則是智能在時(shí)間維度上的成長(zhǎng)；更深層次的智慧體現(xiàn)在自主性（Autonomy）上，即大腦或生物系統(tǒng)自主融入并感知真實(shí)環(huán)境。

《感官游戲》（1999）

神經(jīng)元能夠?qū)W習(xí)，只意味著它可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整自己的行為；因此，目前團(tuán)隊(duì)在培養(yǎng)皿中構(gòu)建的“微型大腦”，即使已經(jīng)可以游刃有余地控制乒乓游戲中的球拍，其本質(zhì)仍是一臺(tái)基于自由能量原理運(yùn)作的自適應(yīng)計(jì)算平臺(tái)。它們只是在竭力預(yù)測(cè)外部世界，以消除環(huán)境的不確定性，而非誕生了真正的意識(shí)。

《西部世界》（2016）

采訪(fǎng)結(jié)束前，我忍不住問(wèn)他，面對(duì)這些在芯片上跳動(dòng)生長(zhǎng)的來(lái)自自己血液的神經(jīng)元，他會(huì)不會(huì)產(chǎn)生任何情感或者情緒？

“我有一些害怕，但還好，看到它運(yùn)行起來(lái)，我也覺(jué)得很酷，有點(diǎn)興奮，也抱著些懷疑。”張漢文回答道：“而且我是個(gè)科學(xué)家，科學(xué)的凝視必須是絕對(duì)理性的。如果對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象投入了太多的個(gè)人情感聯(lián)結(jié)，研究人員就會(huì)因?yàn)檫^(guò)度渴望成功，而將哪怕是失敗的跡象也誤讀為成功。在科學(xué)領(lǐng)域工作，你必須對(duì)你的結(jié)果保持絕對(duì)的客觀和理智上的誠(chéng)實(shí)（intellectually honest）。”

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