“缸中之脑”的奇迹：培养皿里的脑细胞，自己学会了打游戏！

1981年，美国哲学家Hilary Putnam在《理性，真理与历史》一书中提出了“缸中之脑”的思想：如果有人将一个人的脑部切下来，放在一个装有营养液的缸中，并且将大脑的神经末梢与计算机相连，而计算机持续向脑部发送正常的信息反馈——这样，这枚大脑所感受到的一切运动、环境都一如既往，那么它还能意识到自己所处的境地吗？而你会不会就是一枚“缸中之脑”？

好在，这个细思极恐的假说在现阶段还只是一项思想实验。不过，来自澳大利亚的研究团队的最新突破，足以让我们感到惊奇，甚至是一丝丝惊悚了。当80万个来自人类干细胞或小鼠的脑细胞聚集在一个培养皿里，它们竟然学会了玩简单的电子游戏。这一被称作DishBrain（意为“盘中之脑”）的成果于去年年底在预印本网站上线时，就曾引起关注。现在，这项进展正式发表于著名学术期刊《神经元》（Neuron）。

这项研究的领导者，生物技术初创公司Cortical Labs的首席科学官Brett Kagan博士点评道：“我们的研究表明，我们可以与活动的生物神经元交流，迫使它们改变自身的行为，由此产生了类似于智慧的行为。”研究人员希望，DishBrain模型可以使人们更便捷地检测大脑的运作方式，促进对癫痫、痴呆等症状的理解，助力相关药物、疗法的开发。

在这项研究中，来自Cortical Labs和多所高校的研究团队从两个来源分别获取了脑细胞：由人体诱导多能干细胞培育而来，或是来自小鼠胚胎。研究团队将脑细胞放置在培养皿中的微电极阵列上，从而可以通过电信号刺激这些细胞，并读取神经活动。

在向脑细胞施加的电刺激信号中，就隐藏着主线任务：让这些脑细胞学会玩一项名为Pong的电子游戏。

这款诞生于近50年前的游戏规则十分简单，可以理解为对着墙打乒乓球：通过左右移动一根线条，也就是“球拍”，击中飞来的小球、将球弹回。

▲培养皿中的神经元控制球拍，玩起了Pong游戏（视频来源：参考资料[1]）

当然，研究人员首先要做的，就是将规则转化为脑细胞能接收到的“语言”，并对这个DishBrain系统进行训练：通过控制左侧或右侧电极的放电刺激，可以告诉脑细胞小球移动的方向；而小球与球拍的距离，则是由信号频率来表示。而DishBrain发出的信号被电极监测，并以同样的规则转化为对球拍的控制。就这样，这些脑细胞可以在这个闭环系统中学习规则、通过训练产生感知能力。

“我们从未见过这些细胞在虚拟环境中工作。我们成功构建了一个闭环系统，能读取细胞活动。我们用有意义的信息激活它们，以交互的方式改变这些细胞，使得它们可以彼此改变。” Kagan博士说。

到这里，你或许也发现了一个问题：无论是训练人类、动物或人工智能系统完成某项任务时，都需要奖励与惩罚，才能让训练者向正确的方向前进。例如，我们的大脑会释放多巴胺作为奖励，但这是DishBrain系统无法做到的。对于这些脑细胞，奖惩又是什么呢？

答案是信息熵。根据自由能原理，细胞希望将环境中的不确定性最小化，因此当脑细胞成功“接到”小球，电极就会释放脑细胞喜欢的可预测信号；相反，没有接到时，脑细胞随后会接收到随机信号。

▲研究示意图（图片来源：参考资料[1]）

结果，这些脑细胞展现出了出人意料的学习能力，或者说“智慧”。短短5分钟之内，它们就理解了规则——这个时间远低于人工智能所需的学习时间。再经过几个小时的训练，DishBrain达到了正常的游戏水平——当然，最后的游戏表现还是明显不如人类与人工智能的。

“当我们施加结构性的信息，会发现它们活动的变化与在动态系统中的真实行为高度一致。例如，神经元改变、适应其放电活动的能力，随着经验的增长而增强，与我们看到的细胞学习速率一致。” Kagan博士说。

▲实验模拟的Pong游戏环境（视频来源：参考资料[1]）

尽管游戏表现无法与我们或是人工智能相媲美，但DishBrain所展现的感知能力、学习速度还是令研究者感到惊讶。实验结果说明，即使是培养皿中的神经元，也表现出了固有的智慧，可以不断调整自己的行为。

在惊叹之余，这项突破还为将来的脑科学研究提供了重要的模型，为理解大脑工作机制开启了全新的道路。“之前的大脑模型开发，总是基于计算机科学家对大脑工作方式的推测……但问题是，目前人们对大脑工作的理解是很有限的。” Kagan博士说。

而基于活体细胞来构建大脑模型，使得科学家能够根据真正的大脑功能，而不是可能存在缺陷的计算机模型进行检验。研究团队希望，DishBrain将来能够替代动物试验，检验新药物、疗法在动态环境中对大脑的影响。