法国人把死人脑子接上机械手，三天后它学会了弹钢琴

今年六月，法国蒙彼利埃大学的一间实验室里，一台钢琴被奏响了。弹琴的是一只机械手，这不稀奇，这种机器人弹琴的视频你可能刷到过几百个。奇怪的是控制这只手的东西，顺着线缆往回找，穿过电脑，来到一个恒温恒湿的培养箱，最后停在一个培养皿上，培养皿里泡着一小片灰白色的组织，那是一块人脑。当初得到它的时候，它的主人已经去世......本文来自微信公众号： 酷玩实验室 ，作者：酷玩实验室今年六月，法国蒙彼利埃大学的一间实验室里，一台钢琴被奏响了。弹琴的是一只机械手，这不稀奇，这种机器人弹琴的视频你可能刷到过几百个。奇怪的是控制这只手的东西，顺着线缆往回找，穿过电脑，来到一个恒温恒湿的培养箱，最后停在一个培养皿上，培养皿里泡着一小片灰白色的组织，那是一块人脑。当初得到它的时候，它的主人已经去世好几个小时了，现在，主人早已不在，这片脑子还在培养皿里练琴。这块脑子的主人生前会不会弹琴，咱不知道。他去世之后，被切片出来的脑子倒是学会了，而且是花了三天时间自己学的。这不是科幻电影的画面，而是一项最近的科研成果。团队把整件事写成了论文，题目是《离体人脑组织的无监督感觉-运动关联学习，使机器人实现动作模仿》。论文发布在Research Square预印本平台更让人坐不住的是，这片脑子学完之后还能记一段时间。有的脑片在训练结束17天后还记得怎么弹。一块没有意识、没有奖赏回路、主人已经不在的脑组织，只要听到声音，就能动对手指。01一块脑子是怎么自己去学弹琴的这里先说一个背景知识：人死之后，脑子里的神经元不是立马“关机”的。死后数小时内取出脑组织，切成薄片放在合适条件下培养，神经元还能继续放电。这件事神经科学界早就知道，但以前大家拿这种离体脑片多数只干一件事：看它放电，记录信号。法国这个团队突发奇想：要不让这脑子学点啥？这咋想的呢？是的，还是因为AI。现在的AI虽然能力猛，但成本同样巨大，论文里做了一些对比：AlphaGo为了打赢人类围棋世界冠军，训练了超过15万局棋，相当于一个人每天下8小时连下100多年。GPT-3很厉害，但它训练吃掉的数据量，相当于一个人每天读5本电子书读250年。然后大家一个个的都说要追求AGI，通用人工智能。好，那我们有请最强AI缔造者、又智能又通用、真正的AGI：人脑。一个成年人大脑的功耗只有20瓦，跟一个灯泡差不多，但它能学语言、做数学、弹真的钢琴、谈恋爱，还能顺带思考一下人生意义。训练一个AI模型可能烧掉一座小型发电站的电量，而你的大脑学会同样的事只需要几碗米饭的热量，同样是学会一件事，生物神经元的性价比高到离谱。所以把活的神经元接进计算系统，一直被看作一个虽然难但值得探索的方向，这在《辐射》和《黑客帝国》里亦有记载。问题是，拿什么当神经元？体外培养的神经元网络，连接不够稳定，教了容易忘；类脑器官发育不够成熟，个体差异还大。于是，这个团队选了第三条路：直接用死后成年人脑的真实组织。他们用的材料叫OPAB，简单说就是把死后的成人脑组织切成薄片做离体培养，原料来自3位遗体捐献者大脑中负责控制运动的那块皮层。实验所用脑组织取自初级运动皮层，也就是大脑中参与控制身体动作的区域虽然人死后大脑神经不会立马死亡，但神经元死起来也不等人，所以整个流程像一场抢救：死后12小时以内取材，脑块出了医院，30分钟内必须送进实验室，这可能是全法国时效要求最严的一单配送了。然后到了实验室就赶紧切：300微米一片，每片带皮层各层和一小块白质，一共30片，切完码好。三位供体一共提供30片脑片，其中16片进入核心模仿实验，其余用于病毒实验和纵向追踪（图片内容经翻译）脑片被放在一个微电极阵列上，60个锥形电极像小钉子一样扎进组织约80微米深。研究人员从中随机挑了6个，3个当运动电极，3个当感觉电极。随机选是故意的，团队要证明的是哪哪儿都能学会，脑片能在任意位置建立新的关联。接下来就是这套实验最精巧的部分了。整套装置像是给脑片配齐了一套器官：机械手是它的手，麦克风是它的耳朵，中间的电脑负责当脊髓，来回传话。具体配置是这样的：脑片泡在培养液里，待在一个温度湿度气体成分都很舒适的培养箱里，通过线缆连到外面的电脑。电脑另一头接着一只机械手，五根手指和人手一样能独立弯曲，实验用了其中三根，分别按钢琴上的LA、TI、DO三个键。真实实验现场：左边培养箱里是脑片，右边是钢琴、麦克风和机械手，科幻感主要靠器材自己完成（图片内容经翻译）脑片这头一放电，电脑翻译成指令，手指按下琴键；琴一响，麦克风听见，再把声音翻译成电刺激拍回脑片。一来一回，闭环跑通。具体来说，这个过程是这样的：电极给脑片打一个电脉冲，一小撮神经元被激活，信号传到电脑，电脑给机械手下令：食指弯。食指按下LA键，琴声响了，麦克风听见，解码器识别出“这是LA！”，再转成一道电刺激送回脑片“你刚才按的那个键，发出的是这个声音。”一秒一个循环，很有节奏感。同一根手指连按5次是一组，让脑片反复感受同一组配对；5次结束，随机换另一根手指再来。一根手指每天100次，三根加起来一天300次，三天总共900次。整个过程没有老师打分，弹对了没有奖励，弹错了也没人纠正。事实上训练阶段根本不存在弹错，因为每次都是系统主动激活电极、手指按下去的，回来的声音必然和那根手指对应的键吻合。那它靠什么学会的？靠重复。神经元有个本能：两组神经元如果反复在差不多的时间点一起放电，它们之间的连接就会被加强。三天下来，脑片慢慢建立起了对应关系：激活这组神经元，大概就能听到LA；激活那组，听到的是TI。原理上，这其实就是婴儿学动作的极简版。新生儿不知道哪块肌肉对应什么效果，靠到处乱蹬乱抓来观察后果，慢慢建立动作和感觉之间的连接。脑片在培养皿里经历的正是同一个过程：动——听——记住，动——听——记住。区别是婴儿得蹬好几个月，脑片只用了三天。一块培养皿里的脑片，就这样被装上了一只手和一只耳朵，大概是人类历史上最简陋的一具身体了。脑片放电驱动机械手按键，琴声再经麦克风和处理单元转成电刺激反馈给脑片（图片内容经翻译）02从乱猜到六成正确三天练完，开始考试！实验员坐到钢琴前随机弹一串音，看脑片能不能控制机械手弹出同样的序列。训练第一天测了一次，这是对照组：16片脑片平均准确率31.2%。三选一随便蒙的概率是33%，所以这个数字的意思就是，脑片在瞎猜。可以理解，毕竟还没开始学。三天训练之后再测：整体准确率升到了58.5%，差不多六成，及格线有了。其中3片脑片做到了100%，3个音全对，满分，还有7片稳定学会了两个音，第三个会跟其他音搞混。为了排除好成绩也是瞎猜的可能，团队做了三组对照，一组比一组狠。第一组，同一块脑片，但换上没训练过的电极连机械手，结果还是乱猜水平，准确率36.6%。这说明，训练是在特定电极所接触的神经元之间建立了新的连接，而不是让整块脑片的状态普遍变好。第二组，给训练好的脑片下药，两种专门掐断神经信号传递的药，下去四小时后再测，学习效果显著下降。相当于你费劲背了三天单词，有人一针下去给你清零了。下药四小时后（粉色），机械手的模仿表现明显下降第三组更狠，直接对着脑片撒毒。团队用一种神经嗜性病毒去感染训练好的脑片，三天后再测，表现一落千丈。下药不够还上毒，对脑片来说这待遇属实有点过分。但科学就是这样，三组对照一组都不能少。病毒都能把学会的东西破坏掉，反过来正好证明，这东西确实写进了神经回路。感染病毒的脑片表现集中在随机水平附近（粉红色），健康脑片整体更高三组对照指向同一个结论：脑片学到了真实的感觉-运动关联，靠的是突触可塑性，即神经元之间的连接强度会随着配对活动而改变。鲁迅说走得人多了，也变成了路，神经元之间反复发生配对活动，也会建立更强的功能连接。而且，团队发现脑片的学习是双向的：你教它按这个键会发这个声，它自动就会听到这个声去按这个键，所谓正着学一遍，反着不用教。就像你指着苹果教小孩说苹果，教几次之后他听到苹果两个字就能指对水果，你只教了看到、说出，他自己学会了听到、指出，脑片干的就是这件事，模仿能力就是靠这个来的。这事听着理所当然，但对AI来说恰恰不是，要在人工神经网络里实现关联反转，得专门设计算法。但咱们脑子天然就会。在一个更小规模的纵向追踪实验里，5片脑片中有4片在训练结束17天后仍然保持着学习效果，其中两片三个音全对。一块0.3毫米厚的脑片，在培养皿里记住了一件事，记了两个多星期，没人给它复习，也没人这么要求它，但它就是自己记住了。03离赛博朋克还有多远看到这里，一个电影画面就出现了：人脑泡在营养液里，指挥一具机械身体满街跑。这是赛博朋克故事里的标准配置。那么，这论文一发，不是正好可以来畅想一下我们离那一步还有多远吗？答案是：非常远。发过论文的读者们可能知道，实验室里发生的不同于现实，更不同于科幻小说里的场景。经典“缸中之脑”思想实验：脑子以为自己正在阳光下散步，现实里却只是在缸里接收信号|图源：Wikimedia Commons整个实验一共三个音，LA、TI、DO，远不是一首曲子。管这叫弹钢琴的话，郎朗可能会有意见。而且，将近四成的脑片连两个音都没学会、样本少，一共就来自3位捐献者，论文本身也还是预印本，还没走完同行评议。所以，现在这个结果和控制一只义肢做精细操作之间的距离，大概相当于你在键盘上敲了三个字和写完一本小说。要是真那么厉害，马斯克早就坐不住了。但这个实验真正的意义，不只在让脑片弹琴，而是它给了科学家一个可以直接观察人脑怎么学习的窗口。人类对自己大脑的了解，其实根本没有那么透彻。学一个新动作的时候，突触到底是怎么变的？哪些连接增强了，哪些被修剪掉了？这些问题问了几十年，但不好验证，毕竟真的不好打开脑子认真看。小鼠实验倒是做过不少，但动物模型和人脑差异太大，拿小鼠的结论直接推到到人身上也经常翻车。而死后脑片保留了成年人大脑真实的细胞结构和层次，放在培养皿里正好方便拿来做研究。团队自己就在论文里做了个示范：用病毒感染训练好的脑片，学习能力直接废掉。这种病毒在人体内通常没什么症状，但对神经认知有没有隐性影响，临床上一直没有好的测量手段，这套系统提供了一个可以直接看的窗口。再往前想一步。如果这个平台能稳定培养更长时间，接更多电极，跑更复杂的学习任务，它就可能变成药物筛选的工具：想测一种药对人脑学习能力有没有影响，不用上动物模型，不用猜跨物种差异，直接在人脑组织上测。之前，美国有家叫Bexorg的公司干过更吓人的事：用完整的离体人脑做药物测试平台。他们几年里处理了超过700颗大脑，还帮一款药拿到了FDA的临床试验批准。法国团队这套系统跟他们的路线不完全一样，但指向的方向有交集：死后的人脑组织，可能比我们以前以为的有用得多。一块脑组织离开了人体，没有意识，没有奖赏信号，就靠神经元之间连接的变化，跑通了感知、行动、反馈、学习的完整闭环。真所谓，死也要学。脑科学被称为“生命科学最后的圣杯”。人脑这块硬件，确实厉害得离谱。