三维意味着纳米级器件完全从基质取出

  北京时间9月30日消息,据国外媒体报道,太阳能自动驾驶汽车、可重复使用的太空船、超级高铁运输系统,以及前往火星的殖民任务等:伊隆·马斯克一心想把这些曾经遥不可及的幻想变为现实。但是,这些技术中还没有一项能让他变得像人工智能一样“狡猾”。在2016年的Code大会上,马斯克公开表示,鉴于目前人工智能的发展速度,人类可能最终会被“远远地”抛在后面——无论是在认知上还是在智力上。他对这一悲观命运的解决方案是一个全新的脑机接口,类似于苏格兰科幻小说家伊恩·班克斯在《迎风舵轮》(Look to Windward)一书中描写的可植入“神经织网”。除了作为某种通过仪礼,这种脑机接口还能使人类大脑升级,以便与具有人类水平或更高智能的人工智能竞争。
 
  毫无疑问,许多公司和机构都在开发更聪明的人工智能,但我们距离制造出一个神经织网还有多远?在Code大会上,马斯克表示他并不知道有任何公司在从事这方面的工作。于是,之后他共同创立了Neuralink公司(“Neuralink公司正在开发超高带宽的脑机接口,以连接人和计算机”)。关于神经织网的研究正在顺利进行中。2015年,由哈佛大学马克·海曼化学教授查尔斯·利伯领导的一个团队在发表于《自然-纳米技术》的论文中描述称,一种类似织网的电子网可以被3D合成并注入到大脑等生物结构。这是非常重要的一步。
 
  在2016年发表于《自然-方法》的论文中,查尔斯·利伯的团队对初期工作进行了扩展,显示网状大脑植入物可以整合到小鼠大脑中,使其神经元记录能持续至少8个月。在今年发表于《神经病学新观点》的论文中,查尔斯·利伯和同事写道:“我们的工作前提是,通过匹配电子和生物系统——二者传统上被视为不同实体——的结构和机械特性,应当可以实现无缝集成。”对于希望获得神经织网的人来说,这项成果意味着什么呢?
 
  Nautilus网站对查尔斯·利伯进行了采访,这位杰出的科学家或许将使科幻作品的场景变为现实。以下便是他们的采访记录。
 
  你们实验室的目标是打造某种神经织网吗,就像伊隆·马斯克所提到的那样?
 
  我真的不认为这是不现实的。有些人会说,“好吧,我们已经可以通过脑机接口做很多事了”,这没错。但我认为今天实际的脑机接口太粗糙了,而且非常依赖大脑以外的计算能力或信号分析能力。我们要做的是制造一个可以进行神经通讯的电子回路,或者就像伊隆·马斯克说的,一种神经织网。而且,即使这是一个人造结构,但在生物系统看来,它也和自然的网络结构一样。
 
  从一开始,包括第一篇论文的许多评论者在内,没有人相信我们可以通过针头注入电子设备,然后又不破坏电子设备。这其中有很多其实与生物无关。这其实涉及的是材料科学,并且表明你可以将其注入到其他类型的结构中。此外,其他可植入大脑的电子设备总是会引起某种类型的免疫反应和损伤,很可能是由于将坚硬的东西放入软组织时引起的并发症:当你四处走动时你的大脑也在运动,而大脑与植入物的运动并不同步。植入物会杀死细胞;而且,由于体积更大,细胞和生物系统显然更容易将其视为外来物体并尝试攻击它。
 
  然而,我们的理念看起来将是非常有利的,因为解决了免疫反应问题,然后使我们可以进行测量和调节神经回路。对于我们实验中所用的啮齿动物而言,这基本上可以维持一生,这是前所未有的。
 
  能否这么说,正如伊恩·班克斯在他的小说中描述的那样,神经织网会在大脑中形成,然后围绕着大脑生长并与之融为一体?
 
  实际上,大脑是在神经织网中生长。当神经织网被注入时,这个二维的织网最终就像个圆筒,但仍然是织网,其中填满了组织。在某些我们还不了解所有细节的过程中,显然会出现一些组织再生,而且一些重塑组织会重新填满最初针头把组织移走后留下的空间。然后,一些东西会保留下来,并渗透到大致圆筒状的织网结构中。你可以想象在这个网络或织网中同时注入干细胞,使受损组织重新生长起来。利用一些刺激和填充物,你可以用你想要的方式使其重新连接——有点科幻小说的感觉,但并不疯狂。在科学上,我有时会感到很失望,但这是一个令我们惊喜不已的例子。这肯定是在物理上可能的范围内。
 
  您如何看待伊隆·马斯克的观点,即我们需要神经织网与超级人工智能竞争?
 
  是的。我认为这是件好事,但也包括两个方面。一是这可以帮助那些有某种不便或疾病的人,另一方面则更显而易见,这可以使人类的能力增强。很显然,关于这一点总是存在伦理问题,但归根结底,这种可能性是存在的。我们的目的是为了人类的利益,也许听起来我有点像理想主义者。我认为我们的目标是做一些可能的事情,首先是纠正缺陷。而且我不介意(大脑)增加1TB的内存。
 
  神经织网如何起步?
 
  在个体神经元水平上,神经织网可以追踪与神经回路衰老有关的变化。我们已经有能力向那些变慢的回路输入刺激。事实上,你可以反复刺激,并尝试将行为恢复到你30岁或50岁时的状态。
 
  我认为,这将在生物学水平上为衰老和神经退行性疾病提供非常详细的线索。这可能是我的实验室更感兴趣的地方,因为我认为这是一个更易处理的问题。大多数关于某种动物或某个人随时间变化的研究都是通过磁共振成像(MRI),或者类似技术完成的。但是,MRI的分辨率非常低,就我们所谓的纵向研究而言,情况会发生很大的变化。它告诉你,“嗯,大致上,这一区域有什么事情在发生”,但如果你真正想要开始区分,或者以更精确的方式处理某些情况时,就需要更加接近细胞水平的视角,在原理上,只有这些电子测量手段才具有这样的能力。
 
  从2000年初开始,这项工作一直在进行,而且我们的早期工作——在基于芯片的平台上开发基于纳米级电线的新型纳米电子器件——确实起到了推动作用。但是,归根结底,生物学是非常三维立体的。尽管可以将某些或多或少为二维的东西粘贴到三维的组织中,但这并不是生物学运作的方式——三维中大量的连接非常重要。
 
  我们做的第一件事是创建第一个三维晶体管:在某种意义上,三维意味着纳米级器件完全从基质取出,然后放置到细胞内部。我们的想法是将物体从基质移开并放入三维自由空间,使它们可以整合到组织中。这表明我们实际上可以将计算机行业的基础构件取出来,然后放入细胞内部并与其实现第一次通讯。
 
  接下来,一切都是组织工程方面的工作。人们制造出用于再生医学的支架,用来培养用于移植的细胞。我们能否也制造出类似的三维开放支架?这种支架必须是真正开放的,这样细胞才能进入并开始发育,使电子设备交织在其中。我们称之为电子网或电子支架。在2011年初到2012年,我们用这种方法制造了第一个包含神经和心脏组织的“赛博格”(机械化有机体)组织。在这个组织中,我们可以制造一个三维互连的电子阵列,并在其中培养细胞,然后实际监控组织的行为。它看起来真的非常像真实的组织。
 
  应该如何制造这种类似组织的织网?
 
  我们说,“嗯,你知道,治疗剂是通过注射器递送的。”有很多聚合物治疗剂可以用来取代体内的受损组织,或者只是用于增强(人体机能)等目的。“如果我们从没听说过呢?”人们可能会说,“这是不可能的。”我们能否用针头将电子回路注入大脑,或其他组织,然后将其连接起来,再进行监控?是的,我们可以,我们现在就做到了。
 
  这其实一个非常简单的过程。它不像伸入大脑中进行深层脑刺激的普通电子探针。它是在普通的硅晶片上做出来的,但我们只需要取下这个晶片,接着放上一层最终会溶解掉的聚合物层,然后在聚合物层上进行三层光刻。接下来,我们在织网聚合物层内放入一些金属线,在上面再放上第二层聚合物,封住金属线——除了记录设备的位置没有覆盖——然后用释放层溶解掉(聚合物层)。这样你就得到了所需的材料。你可以将其吸入注射器。一切就是这么简单。
 
  事实证明,这种织网的效果要比我们原先估计的好太多了,某些原因我们在一年前的论文中已经有所概述,最近的论文中介绍的更多:这种类似织网的结构之所以能被注入(到大脑中),是因为它具有与神经网络或神经组织非常相似的大小、尺度和机械特性。结果发现,它完全没有出现免疫反应,这是闻所未闻的。
 
  除了植入大脑,还想到其他什么应用?
 
  这是一项还在进行的工作,而我们的研究已经表明,你可以将这种织网通过眼角注入到晶状体下方,然后使其扩展到视网膜细胞层上,并从中进行记录。如此处理的小鼠已经正常生活了好几个月,并没有影响它们的视力,因为织网主要是开放空间。它有超过90%是开放的。
 
  另一件我们取得不错结果的事情是,你可以将这种织网直接注入到椎骨之间的脊髓中,而不损伤脊髓。显而易见的一点是,你可以将其作为创伤病例中的界面。一旦被注入预定位置,这种极其柔软的材料完全不会影响其他功能,因为它比所有东西——除了其包裹的神经元之外——都更柔软。你的整个脊椎可以弯曲自如,做它想做的一切。
 
  对于这一技术能走得多远,就机器接口或假肢接口而言,你可以连接到正确的回路,并在神经元水平上不断来回进行交互。你不是在进行长时间、重负担的计算机处理。我认为,那些瘫痪的人也将获得很多的医疗机会。