由真實(shí)人腦細(xì)胞構(gòu)建的“迷你大腦”和微電極組成的AI系統(tǒng)，已經(jīng)能夠進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別——從數(shù)百個(gè)聲音片段中準(zhǔn)確認(rèn)出某個(gè)特定人的聲音的那種。
最近，一項(xiàng)頗為前沿的類(lèi)腦研究登上了Nature子刊。這個(gè)特別的AI系統(tǒng)甚至可以進(jìn)行無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)：研究人員只是一遍遍播放音頻片段，不提供任何形式的反饋來(lái)告訴系統(tǒng)答對(duì)還是錯(cuò)。最終，該系統(tǒng)在兩天的訓(xùn)練之后，準(zhǔn)確率直接從最初的51%升到了78%。這，究竟是怎么實(shí)現(xiàn)的？
發(fā)明該系統(tǒng)的主要目的，是解決硅芯片的高能耗等問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題的解題思路都是靠類(lèi)腦計(jì)算。但這種思想下設(shè)計(jì)的“傳統(tǒng)”類(lèi)腦芯片大多數(shù)都是直接基于數(shù)字電子原理，完全模仿大腦功能的能力著實(shí)有限。在此，該研究直接用上了一個(gè)叫做“類(lèi)器官”的東西：它指的是能夠在實(shí)驗(yàn)室中利用人的干細(xì)胞培養(yǎng)出的微型器官，包含其代表器官的一些關(guān)鍵特性。具體而言，研究人員將活體腦細(xì)胞組成的腦類(lèi)器官（形狀類(lèi)似小團(tuán)球）和高密度微電極陣列進(jìn)行連接，構(gòu)建出一個(gè)叫做“Brainoware”的系統(tǒng)。
微電極在Brainoware中的作用一是向類(lèi)器官發(fā)送電信號(hào)，達(dá)到傳送信息到“腦”中的目的；二是檢測(cè)大腦神經(jīng)細(xì)胞的放電響應(yīng)，然后交給外部設(shè)備進(jìn)行讀取和解析。這樣的系統(tǒng)可以表現(xiàn)出類(lèi)似神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能，并可以進(jìn)行無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)。將它連接到特定硬件，就可以被訓(xùn)練于語(yǔ)音識(shí)別。具體任務(wù)中，研究人員將8個(gè)人說(shuō)日語(yǔ)元音的240個(gè)音頻片段轉(zhuǎn)換為信號(hào)序列，然后發(fā)送給系統(tǒng)，讓它識(shí)別出某個(gè)人的聲音。
最開(kāi)始，Brainoware的準(zhǔn)確度只有30%-40%。但經(jīng)過(guò)兩天的訓(xùn)練之后，它就可以78%的準(zhǔn)確率識(shí)別出特定說(shuō)話(huà)者。作者在此強(qiáng)調(diào)，所謂的訓(xùn)練只是重復(fù)音頻片段，不給予任何反饋，也就是所謂的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)。不過(guò)，需要注意的是，目前Brainoware只能識(shí)別誰(shuí)在講話(huà)，但聽(tīng)不懂任何講話(huà)內(nèi)容。而在該實(shí)驗(yàn)之后，研究人員試著用一種藥物來(lái)阻斷腦類(lèi)器官中神經(jīng)細(xì)胞之間形成新的連接。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這樣操作之后，系統(tǒng)的準(zhǔn)確率就不會(huì)有任何改善了。作者解釋?zhuān)@說(shuō)明Brainoware的學(xué)習(xí)能力取決于神經(jīng)可塑性。
2、未來(lái)的計(jì)算機(jī)會(huì)是由大腦組成的嗎？
今年三月份，該團(tuán)隊(duì)其實(shí)就是已經(jīng)用該系統(tǒng)來(lái)嘗試預(yù)測(cè)Hénon圖了（數(shù)學(xué)領(lǐng)域中一種可表現(xiàn)出混沌行為的動(dòng)力系統(tǒng)）。結(jié)果Brainoware也是在無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)了4天之后（每天代表一個(gè)訓(xùn)練周期），被發(fā)現(xiàn)它能夠比沒(méi)有長(zhǎng)短期記憶單元的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)得更準(zhǔn)。相比之下，后者可是經(jīng)過(guò)了至少50個(gè)訓(xùn)練周期。而再往前一點(diǎn)，澳大利亞一家科研團(tuán)隊(duì)則試圖教“盤(pán)中大腦”打乒乓球游戲，結(jié)果它5分鐘內(nèi)就學(xué)會(huì)了，速度比AI還快17倍。
那么未來(lái)，計(jì)算機(jī)會(huì)由大腦組成嗎？還不好說(shuō)。如本文作者介紹，他們這個(gè)研究目前屬于概念驗(yàn)證，后面還有很多問(wèn)題要解決：例如，Brainoware系統(tǒng)的性能還能提高，但最重要的問(wèn)題是類(lèi)器官只能存活一到兩個(gè)月。
并且，Brainoware本身雖然不需要太多功耗，但維持它運(yùn)轉(zhuǎn)的外部設(shè)備的功耗水平并不低。諸如一系列等等問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，有科學(xué)家預(yù)測(cè)，真正的通用生物計(jì)算系統(tǒng)可能需要幾十年的時(shí)間才能創(chuàng)建。但不管怎么樣，它的研究對(duì)我們進(jìn)一步理解人腦的學(xué)習(xí)奧秘等問(wèn)題都有幫助。
參考鏈接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41928-023-01069-w
[2]https://www.newscientist.com/article/2407768-ai-made-from-living-human-brain-cells-performs-speech-recognition/
[3]https://www.genengnews.com/topics/artificial-intelligence/brainoware-organoid-neural-networks-inspire-brain-ai-hardware/
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