人工类眼与視感功能探讨

Artificial eye &visual inquiry function

-------四评 库兹韦尔的“嫁接”脑与“类脑”

都世民

摘要：本文从生物学提出的人工类器官出发，讨论人工类眼感官的相关问题。库兹韦尔提出的嫁接脑与类脑都离不开“细胞天线”，因为没有感官信息，是不会形成思维和意识。本文提出利用人工类眼器官来验证细胞天线的存在的构想。

引言

当今全球脑科学研究和人工智能研究都汇集于人脑的研究。脑科学研究以生物学为主体，涉及多学科。而人工智能研究应归属于电子学科的分支：计算机软硬件与多学科汇合形成自动化闭环系统，由早先的自适应技术发展成为人工智能技术。按理说“人工智能”本身含义是人赋于机器一系列行为功能，这是通过“深度学习”，实际上是通过数字技术，对电子系统实施软硬件模块化，构成闭环系统，通过大数据存储，再加上多功能传感技术集合形成“人工智能”。

人工智能权威专家库兹韦尔提出“嫁接”脑，其中一个重要环节是研发“类脑”。如今人工智能专家和学者们，为打造人工智能各种用途，将机脑“升级”为“类脑”、“混合脑”、“驾驶脑”、“棋脑”……，还有称作“脑机融合”。笔者发现生物学家也在打造“类脑”，其方法很不同，主要有两种：一是由受精卵体外培育胚胎；二是由干细胞体外培育。这与人工智能的“类脑”名词撞车了！如果中国脑计划真有“类脑”这一名词，就不知道怎么理解这—词的学术含义？怎样区分这一关键词“类脑”的技术含义。

什么是人工“类眼”？

《环球科学》杂志2017年第2期刋文：“打造迷你大脑”。撰文 于尔根．A．克诺布利希(Juergen A.Knohlich)． 翻译 解云礼，p23-27.

文中指出：准确理解人类大脑的发育和功能，是现代生物学研究的最大挑战。神经生物学诞生100年以来，我们对大脑的认识和理解都来自于动物实验，通常的实验对象是小鼠和大鼠。演化生物学家的研究表明，小鼠大脑和人脑之间的最关键的区别——小鼠大脑表面平滑，而人类大脑表面满是褶皱。另一个区别是褶皱产生的原因：人类大脑很多部位的神经元都是由一类特殊的神经元前体细胞分化出来的，而在小鼠大脑里，这种前体细胞少到可以忽略。

认识到小鼠和人类大脑的区别后，科学家想寻找动物大鼠试验以外的新方法，来指导神经科学实验。研究者提出一种新的研究方法：是在培养皿中培养出小型的、发育中的大脑的主要部分。这种大脑结构是—种类脑器官(organoid)。神经科学家可以从这个人类大脑的研究模型中，获得在小鼠研究中无法获得的信息。利用培养皿中的大脑，或者叫“迷你大脑”。在不同情况下，研究人员可很好地观察大脑内部发生的变化。

研究人员希望在培养皿中，重现人类胎儿最初十周内大脑形成的基本过程。研究的方法使用了人类胚胎干细胞，这种细胞具有多能性(pluripotency)这个不同寻常的特征。多能干细胞和早期胚胎中的细胞属于同一类型。在特定条件下培养后，它们可以长成任何类型的组织——可以是神经、肌肉、血液、骨骼或其他组织。在胚胎中，这些新细胞只能在几天的时间里维持它们的多能性。但是在特定的实验室条件下，研究人员可以让它们长久地维持多能性，使它们转变成几乎任何类型的细胞。

类脑器官里的细胞最终会长到和8---10周人类胚胎中的大脑一样大。少数类脑甚至会长出有黑色素沉积的类眼结构，非常像人类胚胎中眼睛早期发育时的样子。这就是“人工类眼”。

就像胚胎中大脑的发育一样，类脑器官中的细胞也会分化形成不同类型的神经细胞。这些神经细胞具有长长的轴突，像电缆一样，可以和其他神经元联系，从而形成活跃的信号网络系统。在形成神经网络系统前，神经元需要从一个区域迁移到另一个区域，这和胚胎中大脑神经元的发育一样。这样的类脑模型很可能为我们提供一些线索，帮助我们理解，在神经系统疾病中，神经元究竟是怎么迁移到错误位置的。

人工类眼为何无视感功能？

早在在2006到2010年，在早期“重聚合”实验的基础上，日本理化学研究所( RIKEN)发育生物中心的科学家笹井芳树(YoshikiSasai)，率先利用多能干细胞培养神经系统组织，其中最为著名的是他的实验室培养出人的视网膜组织。这是早期人工类眼的关键步骤。

除了借鉴这些先前研究的成果，研究者还利用了最新的、颠覆性的生物技术一一细胞重编程(reprogramming)技术，它是2012年诺贝尔奖获得者、日本京都大学的山中伸弥( ShinyaYamanaka)发明的。通过一系列简单的遗传学操作，细胞重编程技术可以将已经完全成熟的体细胞转化成多能干细胞，这一新技术可以用于几乎所有细胞，从皮肤细胞到血细胞。从皮肤或血样品转化过来的干细胞，可以继续转化为不同类型的大脑细胞，然后这些细胞可以长成类脑器官。由此，这个方法可以避免使用来源于人类胚胎的细胞。

研究人员已经发现，认知功能（比如说语言）相关的基因，是人类特有的。不过这些基因是如何工作的，研究人员还只能猜测，没有搞清楚。

研究人员认为实验室培育出的大脑形成自我意识的可能性为零。。一个类脑器官并不是一个装在坛子里的“类人类”，将来也不可能成为“类人类”。任何意识的形成，都需要从感官获取信息，进而形成一个内在对外界进行思考的模式。类脑器官既不能看也不能听，因为它缺乏所有的感官输入。即使我们将类脑器官与一个照相机和一个耳机相联，进入类脑器官的视觉和听觉信息，还需要“翻译”，是实现的技术难题。这里关键词“翻译”两字所蕴含的技术难题该怎样解决？需要多少时间？是个未知数！

不难看出：想实现脑机“融合”和脑机“嫁接”是面临极大的挑战。用脑电波操控小白鼠的入“迷宫”的娱乐节目，不能说明脑机已融合，也不能理解为意识的操控。脑电波中没有体现“意识”的存在。用人工智能技术能承担这种“翻译”任务吗？令人生疑！

类脑器官并不是具有功能的大脑，只是成团的组织，能够在非常精细的水平上，模拟器官里分子和细胞的功能。它们和脑部手术中切下来的—片组织—样，不是有意识的东西。人工视网膜不具有视感和色感，它是一团的细胞组织。无意识、无视感。笔者思考这人工类器官如同研制电子复杂系统中的“分机”系统，它不具备整机性能，要其具有功能，必须研制附加的测试装置，还需能源供给。

无功能人工类器官有什么用？

研究者对人工类器官的皿中培育，得到的是无器官功能，是否意味意没有用呢？其实不是。

研究者指出有以下用途：

一是利用细胞重编程技术，将遗传病患者体内的细胞培养成类器宫，再与用健康人细胞培养出的类器官进行比较，有助于找到引发疾病的真正原因。因为患者细胞的遗传缺陷，会使培养出的类器官发生病变，这与发育中的胚胎是一样的。事实上，我们已经开始利用类脑技术，研究小头症（microcephaly,，患者出生时大脑体积严重偏小）这类疾病。研究者发现，用小头症患者的细胞培养出的类脑器官，比用普通人细胞培养出的类脑器官要小很多。利用大规模地培养源自患者的细胞，可以详细地分析导致小脑症的一系列分子机理。从正常细胞重编程而来的类脑器官也非常有用。事实上，它们已经被用于寨卡病毒的研究上。孕妇感染寨卡病毒后，会导致胎儿发育畸形，出现小头症。很多实验室都在利用类脑器官进行这方面的研究，巴西和美国已经先后找到了寨卡病毒能引发小头症的证据。

二是利用基因组编辑技术，研究人员利用这套技术可以改变细胞的遗传编码，对类器官逆行基因编辑，使其发生某些可疑的遗传突变，由此证明，这种遗传缺陷是否真的是导致疾病的原因。最后，研究人员还可以评估，修复突变能否产生正常的类器官，如果可以，就能提出新的治疗方案。

三是演化生物学家利用类脑器官找到导致人脑比其他灵长类动物脑部大的相关基因。目前，通过对比人类和其他灵长类动物的基因组，研究人员已经发现，认知功能（比如说语言）相关的基因，是人类特有的。虽然这些基因是如何工作的，研究人员还不清楚。但科学家可以将猴子或猿类的基因引入类脑，观察它们的基因如何影响人脑发育。研究人员也可以将人源基因或基因组上的整段区域，插入到猴子的类脑里，让它们运行得更像人的大脑。

也就是说，人工类器官目前不具有这类器官的功能，但对研究人类疾病和人类演化具有现实意义。除此而外，还有没有其它用途呢？

细胞天线能用人工类眼验证吗？

如上所述，人工类眼器官既可以用人类胚胎的细胞体外培育，还可以用干细胞在培养皿里体外培育。在6周后可见到人视网膜组织、黑视素、纤毛等细胞结构。

能否利用人工类眼来验证细胞天线的存在？并展示其工作机理。这涉及到生物学、物理学、电磁学等多学科的交叉，尽管在有些方面已有一定的研究基础，如何操作这一技术难题仍是很大挑战！

从生物医学角度，对人眼視感功能的解读存在下列问题：

1.用相机原理描述視感机理时，人眼视网膜被看成相机的底片。如今数字相机的成像在视网膜上，仍然是倒像。可是我们的感觉是正像！这倒像怎么变成正像？还是这种机理解释存在问题！

2.用相机原理不能解释人眼的色感形成机理。

3.用相机原理不能解释人眼的扫描功能。

4.用相机原理不能解释人眼的跟踪功能。

5.用相机原理不能解释人眼的识别功能。

如果用电子学和电磁学概念来解释人眼功能机理，就可以说明上述问题。因为人眼是生物体，不能用电子学概念完全描述，要以生物学为基础来验证。

笔者考虑验证方法的构想如下：

1)用人工类眼作为验证人眼工作机理的器官试验组件；

2)对人工类眼的结构及组成部分逐一进行检测。并将全部数据与正常人眼检测数据比对；

3)让人工类眼眼球实现转动，保证人工类眼与视网膜的相互关系的全部尺寸要求。首先眼球转动应供给能量，这能量是用细胞中化学能还是用血液中“电能”，有待研究？

4)用光学方法检测变折射率透镜，要保证光线到达视网膜上的幅、相要求；

5)检测视錐细胞的平行度及尺寸，包括长度、直径、锥度、黑视素、纤毛尺寸等；

6)检测视錐细胞间的链接，三种视锥细胞之间的正交关系，以保证色感的形成。设法检测三种视锥细胞间的幅度和相位关系，并利用色度学原理验证色感的形成机理。

7)设计控制网络，以实现眼球的转动，实现视锥细胞的幅相关系。设法检测出天线波束图形，即方向图。在三个频率点，即三种视锥细胞对应的频率，检测出方向图。

8)同时要研发将电磁场信号检波转变为电信号。要完成这一目标必须深入研究视感系统的神经网络和成像网络。能呈现视感影像。这是验证细胞天线阵后努力的方向。

应当指出：笔者在原先思考的前提下，借助人工类脑器官的生物学成果提出验证细胞天线的进一步构想。同时也展示人工智能的机理与人工类器官无法嫁接，它们的机理完全不同，要融合，怎么操作？如果想将人工智能的视感装置与人工类眼融合该怎么做？用库兹韦尔的研究思路促进人脑研究，似乎不太可能。