科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

盡管人工智能（AI）領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著突破，展現(xiàn)出了前所未有的智能水平，但它們?nèi)匀灰蕾囉?0世紀(jì)50年代奠定計(jì)算基礎(chǔ)的硅基硬件。假如人們能夠擺脫傳統(tǒng)束縛，創(chuàng)造出由生物材料構(gòu)成的計(jì)算機(jī)，那將會(huì)是怎樣的一番景象？

面對(duì)AI領(lǐng)域數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與耗能激增的雙重挑戰(zhàn)，一些來(lái)自學(xué)術(shù)界和商業(yè)界的研究人員未雨綢繆，將目光投向生物計(jì)算這一新興領(lǐng)域。這種方法利用合成生物學(xué)，如實(shí)驗(yàn)室培育的微型細(xì)胞簇（稱為類器官），來(lái)創(chuàng)建計(jì)算機(jī)架構(gòu)。

人腦類器官取代硅基計(jì)算

瑞士公司FinalSpark是生物計(jì)算的先行者之一。今年5月，該公司推出了“神經(jīng)平臺(tái)”（Neuroplatform）。這是世界上第一個(gè)生物處理器，由16個(gè)人腦類器官組成。該公司將這種“活體計(jì)算機(jī)”定位為硅基計(jì)算機(jī)的替代品。

據(jù)《前沿》雜志發(fā)表的一篇文章介紹，“神經(jīng)平臺(tái)”的耗電量是傳統(tǒng)數(shù)字處理器的百萬(wàn)分之一，展現(xiàn)了驚人的能效比。

《科學(xué)美國(guó)人》雜志近日刊文深入剖析了“神經(jīng)平臺(tái)”的運(yùn)作機(jī)制。該平臺(tái)采用了一系列處理單元，每個(gè)單元包含4個(gè)直徑為0.5毫米的球形腦類器官。每個(gè)類器官都與8個(gè)電極相連，這些電極對(duì)類器官內(nèi)的神經(jīng)元進(jìn)行電刺激，并將類器官連接到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元選擇性地暴露在神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺中，以模仿人類大腦的自然獎(jiǎng)賞系統(tǒng)。

FinalSpark公司表示，這種雙重設(shè)置，即多巴胺獎(jiǎng)賞和電刺激，會(huì)訓(xùn)練類器官的神經(jīng)元，促使它們形成新的路徑和連接，這與人類大腦的學(xué)習(xí)方式非常相似。如果這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步完善，最終可讓類器官模仿硅基AI，充當(dāng)與CPU（中央處理器）和GPU（圖形處理器）功能類似的處理單元。

細(xì)胞計(jì)算能對(duì)環(huán)境作出反應(yīng)

要讓類器官計(jì)算能與硅基計(jì)算大規(guī)模競(jìng)爭(zhēng)仍存在難點(diǎn)。首先，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的制造系統(tǒng)；其次，活體大腦會(huì)死亡。比如，F(xiàn)inalSpark的類器官平均只能存活100天，但與原型僅維持?jǐn)?shù)小時(shí)相比，這已是相當(dāng)大的進(jìn)步。FinalSpark聯(lián)合創(chuàng)始人弗雷德·喬丹表示，“神經(jīng)平臺(tái)”已優(yōu)化了其類器官內(nèi)部制作流程，該設(shè)施目前擁有2000—3000個(gè)類器官。

FinalSpark并非唯一一家尋求硅基計(jì)算有機(jī)替代品的公司，而類腦器官也并非唯一的發(fā)展方向。

“生物計(jì)算有多種形式。”西班牙國(guó)家生物技術(shù)中心研究員安赫爾-戈尼-莫雷諾說(shuō)。戈尼-莫雷諾研究的是細(xì)胞計(jì)算，即利用經(jīng)過(guò)改造的活細(xì)胞來(lái)創(chuàng)建能復(fù)制內(nèi)存、邏輯門的系統(tǒng)。

目前，戈尼-莫雷諾團(tuán)隊(duì)正在尋找生物計(jì)算勝過(guò)硅基計(jì)算的任務(wù)或領(lǐng)域。他認(rèn)為，由于細(xì)胞計(jì)算機(jī)能對(duì)其環(huán)境條件作出反應(yīng)，因此它們可促進(jìn)生物修復(fù)，有利于受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

“這是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法涉足的領(lǐng)域?！备昴?莫雷諾說(shuō)，“你不能只是把一臺(tái)計(jì)算機(jī)扔進(jìn)湖里，然后讓它告訴你環(huán)境的狀態(tài)?！比欢?，一臺(tái)淹沒(méi)在水下的細(xì)胞計(jì)算機(jī)卻能隨著細(xì)胞對(duì)化學(xué)和其他刺激的響應(yīng)，對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行細(xì)致入微的“解讀”。

菌絲體實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)電路

與此同時(shí)，英國(guó)西英格蘭大學(xué)安德魯·阿達(dá)馬茨基團(tuán)隊(duì)一直在研究真菌計(jì)算的可能性。2023年3月，其團(tuán)隊(duì)已成功打造了一款以蘑菇為材料的原型計(jì)算機(jī)。在真菌計(jì)算機(jī)中，菌絲體可充當(dāng)導(dǎo)體和電子元件（蘑菇只是真菌的子實(shí)體）。它們可接收和發(fā)送電信號(hào)，并保存記憶。

阿達(dá)馬茨基表示，菌絲體或菌絲網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出與神經(jīng)元類似的尖峰電勢(shì)。他希望利用這些電學(xué)特性創(chuàng)建一個(gè)類似大腦的真菌計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)“可能具備學(xué)習(xí)、存儲(chǔ)計(jì)算、模式識(shí)別等多種功能”。

“與基于類腦器官的計(jì)算相比，真菌計(jì)算具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)?！卑⑦_(dá)馬茨基說(shuō)，“特別是在倫理簡(jiǎn)單性、培養(yǎng)便捷性、環(huán)境適應(yīng)性、成本效益以及與現(xiàn)有技術(shù)的集成方面?！?/p>

不過(guò)，所有這些生物計(jì)算方法及相關(guān)倫理問(wèn)題仍在探索中。盡管目前尚無(wú)證據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)室已創(chuàng)造出有意識(shí)的微型大腦，但關(guān)于人腦類器官是否會(huì)獲得意識(shí)的生物倫理爭(zhēng)論還將持續(xù)。