2月28日，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《人工智能前沿》雜志上，科學(xué)家發(fā)表標(biāo)題為《建立類器官智能社區(qū)的首個(gè)類器官智能（OI）研討會(huì)》的文章，提出了一個(gè)前所未有的新概念——類器官智能，并發(fā)布了首個(gè)“類器官智能”路線圖。

事實(shí)上，不管是類器官，還是智能，科學(xué)界和科技界都有相當(dāng)?shù)难芯?，但類器官智能卻是一個(gè)全新的概念。類器官智能試圖讓計(jì)算機(jī)在腦細(xì)胞上運(yùn)行，將人腦類器官作為生物硬件進(jìn)行計(jì)算，這對(duì)于計(jì)算機(jī)行業(yè)以及生物界都是一次顛覆性創(chuàng)新，這或許將開(kāi)啟一個(gè)快速、強(qiáng)大、高效的生物計(jì)算新時(shí)代。

從類器官到類器官智能

顧名思義，類器官，就是其類似于組織器官的人造器官模型。具體來(lái)說(shuō)，類器官是在體外用3D培養(yǎng)技術(shù)對(duì)干細(xì)胞或器官祖細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)分化形成的在結(jié)構(gòu)和功能上都類似目標(biāo)器官或組織的三維細(xì)胞復(fù)合體。類器官具有穩(wěn)定的表型和遺傳學(xué)特征，能夠在體外長(zhǎng)期培養(yǎng)。

由于類器官可以在很大程度模擬目標(biāo)組織或器官的遺傳特征和表觀特征，因此，類器官在器官發(fā)育、精準(zhǔn)醫(yī)療、再生醫(yī)學(xué)、藥物篩選、基因編輯、疾病建模等領(lǐng)域都被寄予厚望。研究人員可以通過(guò)使用患者的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSCs）可建立有價(jià)值的疾病模型，并能在體外模擬重現(xiàn)病人疾病模型；同時(shí)，類器官的建立可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物藥效和毒性進(jìn)行更有效、更真實(shí)的檢測(cè)。

比如，在腫瘤治療來(lái)說(shuō)，類器官就具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一方面，研究人員可以從患者來(lái)源的健康和腫瘤組織樣品中建立類器官。而類器官的培養(yǎng)和建立，則可用于研究腫瘤生成過(guò)程中的突變過(guò)程，通過(guò)從同一腫瘤的不同區(qū)域培養(yǎng)無(wú)性繁殖的類細(xì)胞器，可以用來(lái)研究腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性。

另一方面，類器官的培養(yǎng)可用于臨床前癌癥的治療檢測(cè)及藥物藥效和毒性測(cè)試，這可將腫瘤的遺傳背景與藥物反應(yīng)相關(guān)聯(lián)。來(lái)自同一患者健康組織的類器官的建立提供了通過(guò)篩選選擇性殺死腫瘤細(xì)胞而又不損害健康細(xì)胞的化合物來(lái)開(kāi)發(fā)毒性較小的藥物的機(jī)會(huì)。自我更新的肝細(xì)胞類器官培養(yǎng)物可用于測(cè)試潛在新藥的肝毒性，而這則是臨床試驗(yàn)中藥物失敗的原因之一。

不過(guò)，不同于類器官在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)方向的應(yīng)用，類器官智能提出，可以基于類器官基礎(chǔ)，將類器官應(yīng)用于計(jì)算。

長(zhǎng)期以來(lái)，人工智能（AI）都受到人腦啟發(fā)。比如，人工智能的深度學(xué)習(xí)就像生物神經(jīng)大腦的工作機(jī)理一樣，通過(guò)合適的矩陣數(shù)量，多層組織鏈接一起，形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“大腦”進(jìn)行精準(zhǔn)復(fù)雜的處理。深度學(xué)習(xí)的出現(xiàn)，讓圖像、語(yǔ)音等感知類問(wèn)題取得了真正意義上的突破。

不可否認(rèn)，模擬人腦機(jī)制的人工智能今天獲得了前所未有的成功，盡管如此，今天，人腦在許多方面仍優(yōu)于機(jī)器。

比如，人腦的神經(jīng)元可以以千赫茲的頻率來(lái)發(fā)放動(dòng)作電位，超過(guò)計(jì)算機(jī)100萬(wàn)倍。并且，大腦是高度并行的，而計(jì)算機(jī)則是線性機(jī)器。計(jì)算機(jī)工作邏輯遵循TTL邏輯的刻板信號(hào)，大腦則以非常靈活且溫和的方式發(fā)出信號(hào)，這是大腦在處理信號(hào)上的巨大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，大腦非常低耗能，但計(jì)算機(jī)耗能極高——訓(xùn)練 AlphaGo 所花費(fèi)的能量遠(yuǎn)超過(guò)保持一個(gè)成年人思維活躍十年所需的能量。

相較于計(jì)算機(jī)，人腦所具有的種種優(yōu)勢(shì)也啟發(fā)了科學(xué)家——我們?yōu)槭裁床恢苯佑萌四X類器官來(lái)模擬計(jì)算機(jī)呢？

用人腦類器官模擬計(jì)算機(jī)

基于用人腦類器官模擬計(jì)算機(jī)的設(shè)想，美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)于 2022年2月22日至-24 日組織了第一個(gè)類器官智能研討會(huì)，由此形成了一個(gè)類器官智能（OI ）研究社區(qū)，并通過(guò)了探索類器官智能的巴爾的摩宣言。

巴爾的摩宣言呼吁國(guó)際科學(xué)界探索基于人腦的類器官細(xì)胞的潛力，促進(jìn)我們對(duì)大腦的理解，并探索生物計(jì)算新形式，同時(shí)認(rèn)識(shí)到和解決相關(guān)的倫理問(wèn)題。會(huì)議創(chuàng)造了“類器官智能”(OI，Organoid Intelligence)一詞來(lái)描述這種研究和開(kāi)發(fā)方法。

該宣言稱，OI有望闡明人類認(rèn)知功能（如記憶和學(xué)習(xí)）的生理學(xué)。它為生物和混合計(jì)算提供了改變游戲規(guī)則的機(jī)會(huì)，可以克服硅基計(jì)算的重大限制。它提供了在大腦和機(jī)器之間的接口方面取得空前進(jìn)步的前景。最后，OI可以在建模和治療癡呆癥和其他神經(jīng)生成性疾病方面取得突破，這些疾病會(huì)在全球范圍內(nèi)造成巨大且不斷增長(zhǎng)的疾病負(fù)擔(dān)。

2月28日，美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)布隆伯格公共衛(wèi)生學(xué)院教授教授托馬斯·哈東（Thomas Hartung）在Frontiers in Science 上發(fā)表了一篇文章，提出了類器官智能的革命性策略。而這一文章正是于類器官智能（OI ）研究社區(qū)首次研討會(huì)結(jié)束十個(gè)月后的2022年12月5日投稿。

根據(jù)Hartung的說(shuō)法，就大腦的體積而論，其計(jì)算能力無(wú)與倫比。對(duì)比來(lái)看下，2022 年，有一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力最終超過(guò)了人腦，但耗資 6 億美元，占地 680 平方米——約為一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)面積的兩倍。

不僅如此，今天，計(jì)算能力也即將達(dá)到極限。按照摩爾定律，微芯片中的晶體管數(shù)量每?jī)赡攴环?，至今已?jīng)過(guò)了 60 年。過(guò)不了多久，芯片上實(shí)際安裝的晶體管數(shù)量便無(wú)法再增加。而一個(gè)神經(jīng)元卻可以連接多達(dá) 10,000 個(gè)其他的神經(jīng)元，是一種極為不同的信息處理和存儲(chǔ)方式。而通過(guò)類器官智能，利用大腦的計(jì)算原理，就可以以不同的方式完成計(jì)算機(jī)構(gòu)建。

不過(guò)，如果想實(shí)現(xiàn)類器官智能，腦類器官還需要擴(kuò)大規(guī)模，Hartung解釋道：“人腦類器官太小了，每個(gè)都包含大約 50,000 個(gè)細(xì)胞。對(duì)于類器官智能，我們需要將這一數(shù)字增加到 1,000 萬(wàn)?！?/p>

與此同時(shí)，研究人員也在研發(fā)與類器官通信的技術(shù)：換言之，向類器官發(fā)送信息并讀出類器官的“想法”。Hartung計(jì)劃優(yōu)化生物工程和機(jī)器學(xué)習(xí)等各種學(xué)科中的已有設(shè)備，并設(shè)計(jì)新的設(shè)備來(lái)刺激大腦和記錄腦信號(hào)。Hartung表示，他們研發(fā)了一種腦機(jī)接口設(shè)備，該設(shè)備是一種用于類器官的 EEG（腦電圖）帽，Hartung已在去年 8 月份發(fā)表的一篇文章中介紹了該設(shè)備。該設(shè)備有一個(gè)柔性外殼，上面密布著微型電極，既能接收來(lái)自類器官的信號(hào)，又能向類器官傳輸信號(hào)。

Hartung設(shè)想，最終類器官智能將整合一系列刺激和記錄工具。這些將協(xié)調(diào)互連類器官網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的計(jì)算。

我們離類器官智能還有多遠(yuǎn)？

盡管當(dāng)前類器官智能仍處于起步階段，但該文章的共同作者之一—— Cortical Labs 公司的 Brett Kagan 博士最近發(fā)表的一項(xiàng)研究已經(jīng)為這一概念提供了證據(jù)。他的團(tuán)隊(duì)表明，標(biāo)準(zhǔn)腦細(xì)胞培養(yǎng)物能學(xué)會(huì)打“乒乓球” 電子游戲。他們已經(jīng)在用大腦類器官進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而用類器官對(duì)此進(jìn)行復(fù)制正是Hartung所說(shuō)的類器官智能的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)然，要挖掘出類器官智能的全部潛力還有很長(zhǎng)的路要走，其中最重要的也是首先要解決的，就是科學(xué)突破。比如，需要人類干細(xì)胞技術(shù)和生物工程的進(jìn)步，以重建大腦結(jié)構(gòu)，并模擬其潛在的偽認(rèn)知能力；需要突破接口技術(shù)，以便向類器官傳遞輸入信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)，并采用反饋機(jī)制來(lái)模擬學(xué)習(xí)過(guò)程。同時(shí)，還需要新的機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，來(lái)讓我們了解大腦類器官。

其中，就類器官的組織結(jié)構(gòu)和功能而言，類器官研究面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何使細(xì)胞組織成足以支持各細(xì)胞類型之間功能相互作用的空間型態(tài)。類器官的生長(zhǎng)能力有限，當(dāng)其超過(guò)一定大小時(shí)，很多細(xì)胞組織仍然是不成熟的。

對(duì)大腦類器官來(lái)說(shuō)，祖細(xì)胞區(qū)域的初步組織是共同特征，但有絲分裂后神經(jīng)元外套膜的形成更具變數(shù)，主要神經(jīng)元層的組織也并沒(méi)有精確地再現(xiàn)。就目前而言，類器官仍然存在細(xì)胞結(jié)構(gòu)組織的變異性和多能細(xì)胞系之間的大小差異，而這些都應(yīng)該以原位人類皮質(zhì)發(fā)育的細(xì)胞結(jié)構(gòu)特征為基準(zhǔn)。

就類器官的保真性而言，盡管基因表達(dá)研究在解決細(xì)胞類型和狀態(tài)方面有著前所未有的能力，并有助于改善體外方法，但它們?cè)诓东@細(xì)胞特性的特征方面仍然存在局限性。目前對(duì)類器官的代謝和生理機(jī)能保真度的評(píng)估仍是困難重重。

除了應(yīng)對(duì)這些科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)外，還需要預(yù)見(jiàn)并解決與這項(xiàng)研究相關(guān)并且很大程度上未被探索的倫理挑戰(zhàn)。比如，人們對(duì)于從自己的細(xì)胞發(fā)育而成的類器官是否有權(quán)利，以及了解類器官智能是否具有意識(shí)。從技術(shù)倫理角度來(lái)看，人類都必須警惕類器官發(fā)展出意識(shí)的任何可能性，并減輕和防范這種情況。

也就是說(shuō)，類器官智能計(jì)劃至少包括四方面內(nèi)容：通過(guò)人類干細(xì)胞技術(shù)和生物工程的進(jìn)步來(lái)重建大腦架構(gòu)，并對(duì)其認(rèn)知能力潛力進(jìn)行建模；通過(guò)接口方面的突破，讓人們能夠向類器官傳遞輸入信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)，并采用反饋機(jī)制來(lái)模擬學(xué)習(xí)過(guò)程；通過(guò)新穎的機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)，讓人們能夠了解大腦類器官；在類器官智能的開(kāi)發(fā)過(guò)程中討論出一個(gè)公認(rèn)的倫理框架。

不論如何，類器官智能的概念都開(kāi)創(chuàng)了生物計(jì)算的新階段，接下來(lái)，我們需要做的是建立社區(qū)生態(tài)、工具和技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)類器官智能的全部潛力。