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实验室:模拟大脑  

2015-09-17 12:08:52|  分类: 脑研究 项目 |  标签: |举报 |字号 订阅

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实验室:模拟大脑 - 逻各斯 - 美  廊

据英国广播公司网站报道,每当向人介绍自己的工作时,史蒂文·波特(Steven Potter)教授都会这样说:“我是一位神经工程专家,我的目标是制造一个大脑。”

  这里的问题并不在于人体组织工程是多么不同寻常,甚至并不是利用神经细胞进行组织工程研究有多么不同寻常,毕竟既然现在医学上已经实现了利用心脏或皮肤细胞进行的生长实验,换成神经细胞又有何不行的呢?

  然而这里所隐含的,实际上是一项令人兴奋又隐隐感到不安的科学分支:即脱离身体之后培养的大脑细胞的神经生理学研究。这听起来不像是一位严肃的科学家应当涉足的领域。

  然而史蒂文·波特,这位美国佐治亚理工学院生物化学工程学院的教授仍然坚持认为,像“大脑”,“意识”之类的这些词汇都属于他的研究范围。他表示:“我和许多其他神经科学家之间的一点不同就在于我相信存在一种思维的渐变谱线。并不存在突然出现的思维,有的仅仅是逐渐显现的思维。”他说:“我认为不同的动物拥有不同程度的思维水平。甚至对于每个人也是这样,你是佛喝了咖啡,你是睡着还是醒着,这都影响到你所具有的思维水平。从这种意义上说,任何时候你都拥有不同水平的思维,因此,当你循着这样的思路往下走,你会开始发现一些原始形态的思维形式存在在那里。”

  倾听细胞的声音

  在波特的实验室,所有的培养皿和全世界各地的生物学实验室中使用的传统培养皿之间存在一个显著的不同,那就是这里的培养皿内都加装了电极阵列,这些电极被用于“倾听”培养皿内神经细胞产生的电信号。另外一项受到欢迎的设备是脑电波记录仪,这种仪器一般是被用于测量受试病患的大脑活动信号的。

  神经元本身是由数以万计的单个细胞组成的,而我们的大脑则是由数千亿个这样的神经细胞组成的。用在波特实验室工作的研究生麦克·库坎达尔(Michelle Kuykendal)的话来说,这就是“大脑的冰山一角。”

  波特教授承认,你无法对这些实验结果抱有太大的希望。但是他说:“我们确信这些神经元中的某一个拥有一些复杂的行为,即便组成它的只有1万个神经细胞。有一些昆虫,低等的动物的大脑便差不多拥有这种水平的大脑。”

  当这些神经细胞最初被放置于培养皿的电极环境之中,它们没有任何表现。将它们从活体动物,如小鼠的组织中取出并进行培养准备的过程,对这些神经细胞进行了重新设置,一你才它们已经丧失了原来拥有的任何结构属性。在显微镜下,使用延时摄影术,研究人员可以清晰地观察神经细胞触突的生长,慢慢找到并与周遭的其它神经细胞之间建立起联系。

  这一过程看上去就像是神经细胞正在盲目的四下寻找,但实际上神经细胞在这一过程中会同时释放化学信号来帮助引导这种行为。随着越来越多的细胞触突之间建立起联系,整个神经元体系从电信号上看渐渐表现出生命的特征。

  本·威利(Ben Whalley)来自英国雷丁大学,他所做的实验起步于人体干细胞培养。他说:“这就像是一个巨大的网络,一个纵横交错的蛛网。这不是一个静态的系统。这就是为何你必须非常积极迅速的对这一系统开展监测。”

  相同的过程在我们婴儿时期的大脑中曾经发生过。事实上,我们的一生之中这一过程都会持续进行,神经元触突的再配置——这是我们学习能力和记忆力的来源。

  跟我说话

  但是在这些培养过程中,和在我们大脑中发生的同样过程所不同的是,科学家们可以观察其发生,并加以干预。波特和威利都使用了电极的手段“跟细胞说话”,并聆听它们的回答。

  波特博士表示:“我们可以观察到哪一种特定的电极输入会导致某一特定方向上的神经触突联系加强。我们可以观察在电极刺激下发生的反应,我们可以尝试加强某一个电极的强度或者弱化另外的电极强度并观察相应的结果。”

  威利指出,由于这些神经元拥有“自己的思维能力”,因此我们可以对它们发出指示信号的量存在一个限度。他说:“如果你施加一个电刺激,并持续2~3分钟,你会发现培养皿中的神经元退回到它们的孵化器中了,整个体系中充斥着各种信号,而这些信号的产生与你施加的外来电信号之间似乎关系并不大。”

  艾米·史密斯(Immy Smith)是本·威利实验室中的博士后研究助理,他承认这些细胞的这种反应有些令人沮丧。史密斯博士表示:“当我们不去照看它们时,我确信它们仍然是神经细胞,做着它们想做的事。而当你在培养人体细胞时你就会有一种非常奇怪的感觉,因为你会看着这些神经细胞,然后思索:你们在那里面做什么?你们在想什么?”

  波特博士认为这种与世隔绝的细胞培养环境对于其中的神经细胞组织是一种折磨,他将其比作“感觉剥夺”。常常这些神经细胞会突然爆发出一阵嘈杂的电信号,波特博士将其比作人的癫痫发作。他说:“每个神经细胞都等待着信号的输入。如果没有这种信号输入,神经细胞便会不断检测,试图去放大检测到的微弱信号,即便这信号实际上只是背景噪音。随着越来越多的神经细胞加入到这一过程中来,整个网络很快便被杂音充斥,就像一场燎原的野火。”

  人机系统

  在雷丁大学,威利博士与控制论专家斯拉沃米尔·纳苏托(Slawomir Nasuto)合作,创建起一个“大脑模拟实验室”,在这里他们研究将神经元与机器人连接在一起的方法——或者至少是将神经元与模拟机器人连接起来的方法,因为这样一来便可以让神经细胞产生的信号触发真实的动作,并且对其输入的也将是真实的信号。

  威利博士目前已经证明,一辆装备了“接近传感器”的轮式机器人可以在数天时间内学会避开墙壁。这种行为看上去毫无疑问是一种“聪明”的表现,但是威利博士宣称“我并不想在这一点上就有关智慧方面做过多的暗示。”

  而在波特教授的实验室,研究组与西澳洲大学的艺术家们合作,创建了一个机器人装置艺术项目“沉默阻击”(Silent Barrage),这个装置可以由神经元组织通过互联网进行控制。佐治亚理工学院的瑞利·泽勒-汤森(Riley Zeller-Townson)评价道:“这是全世界最大的人机系统,因为其一端在地球的这边,而另一端却在地球的另一边。”

  尚未解决的问题

  汤森博士对这一系统的兴趣不仅仅局限于其外观,他对于这一系统所体现的技术方面因素同样感兴趣。并且他还指出了这一系统尚需要进一步解决的几个方面的问题。

  他表示:“作为生物体组成部分的神经系统,我们认为是具有其自身利益的,简单的说,它希望自己能够活着。但一旦我们将其从生物体中单独取出来,这种关系似乎也就随之远去了。”他说:“再也没有可以赖以生存的身体存在,皮之不存,毛将安附?神经系统本身的内部,究竟是什么样的机制在制约着这种自身利益关系?它拥有思维吗?它拥有经验的体察吗?”

  然而在“大脑模拟实验室”,研究组的思路是将注意力集中于神经细胞学习能力的研究上。纳苏托教授表示:“我们希望对一些更加复杂的机器人系统进行研究,这样我们就将能获得一些操作物品的能力,如抓握,翻转,将物品移动到跟前,并且拥有某种最低水平的视觉。”

  这一想法的核心思想是要建立一个“闭合循环”,即要让神经系统的信号得到回馈,这样机器人系统才能将其原先的规划设想与实际的操作结果进行比较,并在此过程中学习新的技能。这一过程其实是跟婴幼儿在不断尝试摸索中掌握一些基本的动作技巧是相同的道理。但是自始至终,科学家们都可以在显微镜下观察神经元组织内部的电信号活动状况,并观察这一组织不断塑造自己的过程。

  一些奖励性的化学物质,如多巴胺,可以被用于当机器人成功完成一项任务时候的奖励。波特博士指出,由神经元组织自主掌握的多巴胺分发系统有时会表现出一种上瘾的迹象,它需要学习只有当自己确实需要时才调用这种化学品。

  但或许在整个过程中最令人震惊的则莫过于“自我意识”的模糊显现。波特博士表示:“自我意识并非人类神经细胞内在拥有的属性,而是源自于一个特殊的机制,其监控人类大脑内部正在发生的事件。我们培养皿中的神经元组织还不具备这种意识,但是我们可以将其加入进去。”他说:“我们的计算机程序可以监控组织的运动模式,并将信息通过电极传回给组织。这就模拟了大脑的自我意识机制。这当然是非常低级的自我意识形态,但至少这是一个很好的开端。”

  尽管听上去还非常遥远,但是目前我们所拥有的这些证据已经可以确凿的证明不管有多么神秘莫测,我们所有的思维和感受都的确来自于我们的大脑组织。佐治亚理工学院的研究生麦克·库坎达尔表示:“所有研究脑科学的人之所以从事这项工作,都是为了揭开大脑的奥秘。但是更棒的是,我们现在已经从大脑中提取到很多信息,并逐渐接近这个谜团的真相,因此我们有了更大的主动权,并能更好的理解这一切。”

 

引自:新浪科技

http://tech.sina.com.cn/d/2013-06-27/07588484146.shtml

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