玩乒乓球的脑细胞可以教我们更好的医学和人工智能

科学家在一个培养皿中教了80万个活脑细胞如何玩标志性的街机游戏“乒乓球”

这是来自皮层实验室、莫纳什大学、皇家麻省理工大学、伦敦大学学院和加拿大高级研究所的神经科学家和程序员团队的工作。他们的详细发现发表在本月早些时候的《神经元》杂志上。

当然，实际设置比仅仅将一团神经元放入培养皿更复杂。在这个名为DishBrain的系统中，神经细胞覆盖在多电极阵列上，这就像一种互补式金属氧化物半导体芯片，能够读取神经元电活动的非常小的变化。

神经细胞具有众所周知的动作电位——它们会对细胞膜上的特定电压变化序列做出反应。这使得它们的行为几乎就像计算机电路中的门。

这些细胞相互连接，整合到芯片中，可以存活数月。电极阵列允许研究人员以给定的速率发送和读取来自网格上特定位置的神经细胞的信号。因此，阵列上的电极可以在一侧或另一侧发射，以告诉DishBrain球在哪里，信号的频率可以指示球离桨有多远。通过点亮某种预先编程的电极排列，DishBrain可以触发运动活动，比如上下移动游戏中的桨。

生物技术初创公司皮层实验室的首席科学官、《神经元》论文的主要作者布雷特·卡根说：“我们可以对传出的信息进行解码，对通过这些非常小的电信号进入的信息进行编码，并用它来代表细胞发生了什么。电子游戏帮助人们理解正在发生的事情。如果我们只是把它作为随机数的函数，人们就不会理解或理解结果的重要性。”

但是他们为什么选择“乒乓”？

卡根说：“从科学的角度来看，我们需要一项实时、连续的任务，并且有一个非常离散的损失条件（胜利条件并不重要），这很容易概念化和编码到细胞中。”

这也是一款一直是计算神经科学社区测试平台的游戏。例如，2013年，谷歌的DeepMind使用“Pong”来训练其机器学习算法。

“如果你仔细想想，这个环境是如何运作的，实际上有大约六条规则。这就是我们所说的结构化信息景观，”皮层实验室首席执行官洪翁冲说。“我们得出的结论是，这些神经元肯定试图在内部（受这六条规则的影响）创建一个模型。不管是什么，我们还不太清楚，这有待进一步研究。它正试图利用这一点来优化我们设置的参数，即：不要错过球，击球。”

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除了弄清楚DishBrain到底是如何产生感知到的“智能”之外，作为下一步，该团队还想用人工神经网络来测试其性能。他们还想看看DishBrain在药物和酒精的影响下玩游戏的效果如何。

“我们想证明他们玩游戏的能力有一个剂量反应曲线，以此来验证这些神经元可以用于实际的药物测定和发现，也可以用于个性化药物，”Chong说。

当皮层实验室在2020年3月从隐形中出现时，它的目标是制造生物计算机芯片。

卡根指出，脑细胞是一种有趣的生物材料系统，可以有效地实时处理信息，而不需要大量输入样本。“果蝇是一个非常简单的系统，在导航环境方面比最好的机器学习具有更通用的智能，”他说。“它只需要一小部分功耗。为什么要模仿你可以利用的东西？”

但是，虽然将这些芯片用于计算机科学研究很有趣，但皮层实验室更直接地关注它计划如何将其技术平台商业化。

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“我认为对我们来说，主要的商业方面是帮助痴呆症研究、癫痫甚至抑郁症等非常困难领域的研究人员，使用我们开发的技术来寻找新疗法和新药物，”钟说。 “这就是我们试图在公司观察的商业化观点。”

由于DishBrain中使用的神经细胞可以来源于多能的人类干细胞，这为个性化医疗开辟了可能性。“你可以从捐赠者那里采集样本，培养出基因相似的神经元，然后我们可以用它来测试药物，然后希望药物的参数与捐赠者细胞相同，”Chong说。这可能会缩短通过不同治疗方法对癫痫等疾病进行试验的过程。“如果你有一个系统，你可以立即得到答案，知道服用哪种药物会产生最好的效果，副作用最少，这将是许多患有这种疾病的人生活的一个巨大的游戏规则改变者。”