文摘
最近,生物工程领域,它使用生物医学知识解决问题和创造产品,已经取得了很大的进步创造小,人体器官的功能模型,称为瀑样。大脑是人体最复杂的器官。虽然创建了大脑瀑样,但他们仍不能执行计算,学习,记忆,或做出决定——“思考”功能只有在人类和动物。但是一项新的科学是新兴领域,可以创建大脑瀑样的认知功能。现在可以使用必要的技术,科学家们开始把它们。思考的大脑细胞文化创造很多必须解决的伦理问题研究所得。本文描述的技术形式的基础科学叫做瀑样智能(OI)。在未来,OI可以帮助我们研究大脑功能,了解脑部疾病,寻找新的治疗,甚至可能导致新的超级计算机类人脑比今天的电脑。
大脑与电脑?
你认为人类的大脑比电脑更强大或更少的强大吗?如果你听说过计算机程序在复杂的战略游戏击败人类对手下棋或去,你可能自然而然地想到,电脑是“更聪明。“计算机可以处理简单的信息速度比人类大脑可以和人工智能(AI)正日益被纳入许多常见技术,从面部识别手机流媒体视频的建议。人工智能是计算机思考和学习的能力,目的是执行任务通常由人完成的。很容易相信,AI将最终超越人类能力,即使在复杂的任务,比如开车。但是有更多的故事!人类大脑的处理能力和存储容量是巨大的:2013年全球第四大电脑花了40分钟模型1 s的人类大脑活动的1% !人类的大脑的记忆是关于大型计算机的发现在大学或研究机构;的数量计算每秒可以执行的人类大脑才达成的世界上最快的超级计算机今年(2022年)。一些任务可能永远不会匹配为例,一个孩子可以区分狗和猫在看到大约10图片,而AI需要超过1000。
作为一个例子,让我们看看AlphaGo AI系统,2016年在去击败世界冠军。从160000年奥运会AlphaGo训练数据1]。如果一个人一天5小时每一天,需要那个人175多年经验相同数量的培训游戏!这告诉我们,大脑是更有效的比人工智能学习如何执行复杂的活动。更重要的是,培训AI需要大量的能量energy-much超过人类的大脑学习使用。如果需要相同的时间为一个人类和一个人工智能系统学习一个新任务,AI系统需要1000万倍的能量!AlphaGo四周的培训需要更多的能量比维持一个活跃的成人了10年。
这些比较告诉我们,AI将难以超越人类驾驶等复杂的任务,需要实时变化的环境中学习。特别是如果科技公司信守承诺,以限制全球变暖的减少他们的碳排放。2017年,相当于花了34个燃煤发电厂,以满足电力需求的美国数据存储中心(2]!但如果,而不是试图使电脑更像人类的大脑,我们不是试图使人类大脑更智能化?如果这些智能化人类大脑可以生长在一个实验室,与实际界面的电脑?这听起来就像是科幻电影?虽然仍处于早期阶段的挑战,这futuristic-sounding技术,称为瀑样智能(OI),更接近成为一个现实。作为一个方法生物计算OI可以克服传统人工智能和完成任务的限制,以前难以想象的机器。
大脑瀑样是什么?
OI的最终的成功取决于我们的能力增长小,3 d大脑细胞培养大脑瀑样(图1一个)。这些小瀑样,生成的干细胞,是300 - 500微米(μm;变换一毫米)直径和由30000 - 50000细胞,使它们一3-millionth人类大脑的大小(图1 b)[3]。
- 图1 -(一)3 d大脑细胞培养称为瀑样可以包含相同的大脑细胞类型中发现人类大脑,包括小胶质细胞和星形胶质细胞、神经元支持健康,少突胶质细胞,产生髓磷脂。
- 大约40%的神经元在大脑瀑样满髓磷脂,它可以帮助神经元之间的信号传输。百分之五十的人类大脑中的神经元有髓,那么大脑瀑样不远了!(B)3 d大脑瀑样只有一个3-millionth人类大脑的大小(上面一行:20 x;底下一行:63 x)。神经元出现早在4周的文化,而胶质细胞出现在8周,随着时间的推移和星形胶质细胞数量增加。
更紧密的大脑瀑样就像人类的大脑,他们就越有可能能够执行类似人类的大脑活动,如学习和记忆。尽管他们体积小,大脑瀑样有一些人类的大脑结构和功能的相似之处。例如,人类的大脑包含几种类型的细胞:神经元(神经细胞),负责发送信号在大脑和大脑和身体之间;少突胶质细胞(oh⋅luh⋅⋅去窝⋅druh⋅网站),用一种材料覆盖的部分神经元髓鞘;小胶质细胞和星形胶质细胞,它支持健康的神经元。大脑瀑样文化已被证明支持神经元和其他类型的细胞的增长,所有这些都是必要的学习(图1一个)。此外,约40%的神经元在大脑瀑样满了髓磷脂,在健康的人类大脑,大约50%的神经元是大脑myelinated-so瀑样不远了!髓鞘的塑料在外面就像铜将其连接绝缘线,不同的绝缘导线,也使得信号旅行快100倍。在功能方面,大脑瀑样显示电活动和对电刺激的反应方式,类似于细胞过早人类婴儿的大脑。
因为大脑瀑样现在变得非常小,它们几乎不可见(家蝇的眼睛的大小),学习如何使他们更大更类人脑发展瀑样情报是重要的第一步。当大脑细胞培养小或者二维(平面),细胞可以获得氧气和营养,消除废物直接通过流体在增长通过扩散,这是自然运动的分子从高浓度区域低浓度的区域。但扩散不够有效,支持更大,3 d文化(4]。人类的大脑血管,执行这个运输function-half大脑的重量的血液流经大脑的每一分钟。需要类似的增长更大的大脑瀑样,来防止他们的死亡中心当作过程称为坏死。科学家正在开发微流控系统可以像小血管(图2)。微流控系统不仅会消除浪费,提供氧气和营养大脑瀑样,但他们也将允许科学家管理和测试所涉及的其他化学物质的影响在人类大脑的正常功能,或可能的药物来治疗大脑疾病。
- 图2 -(一)一旦一个3 d的大脑瀑样太大,扩散不再工作将氧气和营养物质到瀑样或消除浪费,因为扩散只能达到约300μm瀑样。
- 因此,瀑样的中心(亮粉红色圆圈)将死于这一过程被称为坏死。血管人类大脑执行这一重要功能。(B)模拟血管,微流控系统开发将氧气和营养物质进入大脑瀑样,消除浪费。这些系统允许更大的大脑的生长瀑样,让科学家们测试的影响各种化学品和药物瀑样的函数。
测量大脑瀑样函数和学习能力
开发OI,大脑瀑样必须功能类似于人类大脑,还是科学家们必须有一个方法来衡量这个活动。医生测量实际人类大脑的电活动与技术称为脑电图(呃⋅求偶场⋅以为⋅uhn⋅医师⋅fuh⋅laa⋅gruh⋅费用;EEG),电极放置在病人的头皮。这种技术激励我们创造一个小版本,称为3 d微电极阵列(MEA),可以刺激和测量大脑的电活动瀑样。周围的量就像灵活的贝壳,褶皱大脑瀑样,使测量的电活动在整个表面的3 d瀑样(图3)。研究人员也在努力开发特殊的探针,大脑瀑样完全可以生长,这可能提供更清晰的信号和允许研究人员访问的内部瀑样。
- 图3 -(一)医生测量人类大脑的电活动称为脑电图(EEG)的技术,在(黄绿线)连接的电极放置在病人的头皮。
- (B)脑电图启发科学家创建一个小版本,称为三维微电极阵列(MEA),可以刺激和测量大脑的电活动瀑样。灵活的量包含许多电极壳,大脑瀑样生长,使测量的电活动在整个表面的3 d瀑样。
科学家可以监视大脑瀑样的功能后,他们就可以开始研究这些瀑样是否可以学习。在大脑瀑样,“学习”将以某种方式应对模式的电或化学刺激,例如通过改变细胞之间的连接或电活动的变化。这是相同的两个因素影响人类大脑的学习和记忆形成。的第一个学习任务可以是一个简单的电脑游戏像乒乓球,一个桨必须保持弹力球。事实上,澳大利亚皮质实验室的研究人员最近发现,大脑文化可以学习这样做(5]。
除了生物计算
当我们建立了大脑瀑样可能会导致一场革命在生物计算,他们也可以被用作一个强大的研究工具。因为大脑是如此复杂和求职的头骨,这是一个很难研究生物体的器官。大脑细胞培养看,像人类的大脑可以帮助科学家回答重要问题,很难研究humans-questions大脑发育,学习,记忆,和药物或感染对大脑功能的影响。大脑瀑样也可以用来研究毁灭性的大脑痴呆等疾病。痴呆是一种疾病的老年人,内存和其他脑功能逐步下降。痴呆是一个日益严重的问题:全球超过5500万人患有老年痴呆症,到2050年这个数字预计将超过1.5亿(6]。阿尔茨海默氏症、痴呆的一种,是十大死因之一在美国。目前还没有治愈老年痴呆症的治疗存在不是非常有效。大脑瀑样系统会帮助研究人员了解痴呆的原因是什么,以及它如何影响大脑。潜在治疗可以开发这方面的知识,他们可以在大脑瀑样测试,以确保他们的工作,之前用于人类。
伦理的挑战
而使用OI生物计算和关键的大脑研究听起来前途和激动人心,OI也会产生一些重要的问题,科学家和社会从来不需要考虑。例如,将大脑瀑样”意识,“如果是这样,科学家创造他们是道德的吗?瀑样经历痛苦和可能遭受在实验中科学家们做他们吗?其他的困难道德问题肯定会出现如瀑样情报领域的发展。专业伦理学家必须密切合作与研究人员识别和导航等问题。社会责任,同样重要的是OI研究是由来自公众的输入。与公众持有不同信仰和道德的观点可以帮助获得公众的信任,这有助于防止公众不良反应新技术和最大化他们的未来的影响。
结论
虽然听起来有点像科幻小说,我们希望本文能够帮助您理解大脑的潜力瀑样改变生物计算。还有许多研究工作要做,许多技术和伦理道德方面的障碍。但是,如果我们成功,OI可能克服许多传统的计算和人工智能的局限性。具体来说,我们相信OI-based生物运算系统将允许更快的决策,改进学习,提高能源效率。这些进步可能会影响整个世界,通过发展技术,可以提高人工智能性能或创建“智能”假肢能够帮助截肢者恢复身体功能。此外,OI大脑研究提供了一个了不起的机会和可以帮助科学家发现背后的基本原则思考,学习和记忆,为了更好地理解和潜在的毁灭性的大脑痴呆等疾病治疗。所以,下次你听到有人谈论AI,花一分钟来告诉他们关于OI…并确保提到科学,而不是科幻小说!
术语表
瀑样情报:↑瀑样的能力提供计算和存储信息(输入)来执行一个任务(输出)。
生物计算:↑一个使用生物技术来执行计算机功能,如存储和处理信息,可能补充当前电脑。
大脑瀑样:↑生物工程模型的大脑可以执行一些大脑功能。
神经元:↑一个神经细胞;神经系统的基本单位,使用电和化学信号来传输信息到其他神经元的肌肉细胞。
髓鞘:↑脂肪,绝缘材料,神经元之间的神经纤维,使电通信更高效。
微流控系统:↑技术循环液体通过小通道,为细胞提供氧气和营养,例如。
3 d微电极阵列:↑设备与许多传感器,可以阅读脑细胞的电活动文化,类似于脑电图(EEG)是用于人类。
道德:↑哲学的一个分支,研究之间的区别好的和坏的或对与错。
的利益冲突
TH命名发明家约翰霍普金斯大学的专利生产的大脑瀑样,授权AxoSim,新奥尔良,洛杉矶,美国,和接收皇室股票。TH和LS AxoSim商量。
其余作者宣称,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
确认
由苏珊Debad博士,毕业于麻省大学生物医学科学研究生院(美国)和科学作家/编辑SJD咨询、LLC。金融支持约翰霍普金斯的发现格兰特和超越项目是感激地感谢。我收到NIEHS培训津贴格兰特(T32 ES007141)和约翰霍普金斯大学的追求计划,即。通过博士后学术成就,独立研究和教育(追求),nih资助的专门机构研究和学术职业发展奖(IRACDA)博士后奖学金。
原始的文章
↑Smirnova, L。Caffo, b。谢谢,d . H。、黄问。莫拉莱斯与,即。唐,B。,等。2023。瀑样情报(OI):生物运算与intelligence-in-a-dish的新边疆。前面。Sci。1:1017235。doi:10.3389 / fsci.2023.1017235
引用
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