未來的計算機是被制造出來的，還是被培養(yǎng)出來的？美國里海大學(xué)的研究人員試圖利用活體神經(jīng)元，在培養(yǎng)皿中將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“種”出來，該研究已獲得美國國家科學(xué)基金會50萬美元資助。

未來的計算機究竟是制造出來的，還是種出來的？

這個看上去有點怪異的問題卻是美國理海大學(xué)一項新研究的核心問題。該研究的目的是設(shè)計出一個由活體細(xì)胞在培養(yǎng)皿中培育的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——以人類大腦和神經(jīng)系統(tǒng)為模型的計算機系統(tǒng)，并對其進行編程，以計算基本的機器學(xué)習(xí)任務(wù)。

美國國家科學(xué)基金會（NSF）最近宣布，對這個項目進行50萬美元資助。該機構(gòu)于9月11日宣布將資助一系列增強對大腦機制理解的相關(guān)研究，為加速新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)而努力。

現(xiàn)在的科學(xué)家已經(jīng)了解，相關(guān)生物的活神經(jīng)元可以自然具備進行計算和學(xué)習(xí)的能力。在美國國家科學(xué)基金會的支持下，我們將建立一個實驗測試平臺，實現(xiàn)光學(xué)刺激并檢測神經(jīng)元生命網(wǎng)絡(luò)中的活動，我們將開發(fā)算法來訓(xùn)練這些神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。“

該團隊成員包括利哈伊大學(xué)生物工程副教授Yevgeny Berdichevsky以及電氣和計算機工程系的Yan Zhiyuan，團隊實現(xiàn)了計算機體系結(jié)構(gòu)、生物工程和信號處理方面的專業(yè)知識互補。該團隊認(rèn)為，這項研究可能會對神經(jīng)元科學(xué)和計算機工程領(lǐng)域產(chǎn)生“變革性的影響”。

由培養(yǎng)皿培育出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行文本識別任務(wù)

在這項研究中，研究人員將手寫數(shù)字的圖像編碼成“尖峰訓(xùn)練刺激”（spike train stimuli），類似于二維碼。然后將尖峰序列的編碼應(yīng)用于具有光遺傳標(biāo)記的一組網(wǎng)絡(luò)化的體外神經(jīng)元上。

在向NSF提交的資助申請中，該團隊解釋說，這項研究預(yù)計能夠幫助計算機工程師開發(fā)出會思考的固態(tài)機器設(shè)計的新方法，并可能影響其他與大腦相關(guān)的研究。

理海大學(xué)電氣和計算機工程助理教授、該項目首席研究員Guo Xiaochen

理海大學(xué)電氣和計算機工程助理教授、該項目首席研究員Guo Xiaochen（上圖）表示：“光遺傳學(xué)，圖像化光學(xué)刺激和高速光學(xué)檢測的最新進展，讓我們能夠同時刺激和記錄數(shù)千個活體神經(jīng)元。

“我們希望神經(jīng)科學(xué)家將能夠利用這項技術(shù)作為研究人類大腦的試驗平臺，”Berdichevsky說，他之前已經(jīng)深入研究了癲癇和其他疾病的病因和解決方案。

“這項研究將研究如何穩(wěn)定活體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使得基于尖峰時間依賴可塑性（STDP）的編程協(xié)議，將所需的突觸強度印記到活體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上。我們還將研究如何從戰(zhàn)略上設(shè)計和應(yīng)用基于STDP的協(xié)議，實現(xiàn)編程負(fù)載的最大化，并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的收斂速度。在算法方面的研究重點則是數(shù)據(jù)表示和算法訓(xùn)練，考慮到我們正在設(shè)計的各種約束。“Yan Zhiyuan說。

該團隊的項目是NSF資助的神經(jīng)和認(rèn)知系統(tǒng)創(chuàng)新研究的18個跨學(xué)科項目之一。NSF此次旨在四個重點領(lǐng)域推進基礎(chǔ)科學(xué)的前沿研究，分別為：神經(jīng)工程和大腦啟發(fā)的概念和設(shè)計、個性和變異認(rèn)知、現(xiàn)實復(fù)雜環(huán)境中的神經(jīng)處理過程、以及數(shù)據(jù)密集型的神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)。