使用人類腦細胞，活的。

科幻小說《三體》中，為了支撐科技的發(fā)展，人類提出了幾種下一代計算機的方案，其中除了傳統(tǒng)的馮諾依曼架構(gòu)，還包括量子計算機和生物計算機。其中量子計算的概念現(xiàn)在已有大量研究，生物計算的研究卻少有報道。

近日，一家瑞士初創(chuàng)公司FinalSpark發(fā)布了全球首款生物處理器。據(jù)介紹，它們都是由人腦類器官的生物神經(jīng)元驅(qū)動的，而且已開放了遠程訪問。

FinalSpark提出的Neuroplatform據(jù)稱是世界上第一個提供體外生物神經(jīng)元訪問的在線平臺，此類生物處理器據(jù)稱「比傳統(tǒng)數(shù)字處理器的功耗低一百萬倍」。

由于摩爾定律的終結(jié)，芯片廠商正在依靠增大功率保持性能提升的節(jié)奏，強性能附加低功耗的特點可能會是生物處理器的潛在優(yōu)勢。

FinalSpark表示，其Neuroplatform能夠?qū)W習和處理信息，并且由于其低功耗，可以減少計算對環(huán)境的影響。

最近，科技領(lǐng)域業(yè)內(nèi)都在追趕生成式AI，隨之而來的芯片短缺也在逐漸成為挑戰(zhàn)。更進一步，科學家們甚至還在擔心大模型的能耗問題。今年2月有報道稱，OpenAI聯(lián)合創(chuàng)始人山姆?奧特曼正在尋求大量資金打造完整的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，為此甚至與電力供應商進行了討論。

有論文得出結(jié)論，訓練一個像GPT-3這樣的大型語言模型（LLM）大約需要10GWh—— 大約是歐洲公民平均一年使用的能源的6000倍。

隨著生物處理器的成功部署，這樣的能源消耗可能會大幅減少。

免費遠程訪問，可用Python庫操作

在最近發(fā)表在《Frontiers in Artificial Intelligence》的論文中，F(xiàn)inalSpark介紹了他們所開發(fā)的一個硬件和軟件系統(tǒng)，它允許在較大規(guī)模上進行電生理實驗。

論文鏈接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frai.2024.1376042/full

Neuroplatform使研究人員能夠?qū)ι窠?jīng)類器官進行實驗，其壽命甚至超過100天。為此，科研人員簡化了實驗過程，可以快速產(chǎn)生新的類器官，全天候監(jiān)測動作電位，并提供電刺激。除此之外，還設(shè)計了一個微流體系統(tǒng)，允許完全自動化的培養(yǎng)基流動和更換，從而減少在孵育器中通過物理干預造成的干擾，以確保穩(wěn)定的環(huán)境條件。

在過去三年中，Neuroplatform構(gòu)建了超過1000個大腦類器官，收集了超過18TB的數(shù)據(jù)。為了方便人們使用，F(xiàn)inalSpark開發(fā)了一個專門的API，可以直接通過Python庫或使用交互式計算（如Jupyter Notebooks）進行遠程研究。

除了電生理操作外，API還控制泵、數(shù)字攝像頭和UV燈進行分子釋放。這允許執(zhí)行復雜的全天候?qū)嶒灒ㄩ]環(huán)策略和使用最新的深度學習或強化學習庫進行處理。

此外，基礎(chǔ)設(shè)施支持完全遠程使用。目前在2024年，該系統(tǒng)可免費用于研究目的，許多研究小組已經(jīng)開始將其用于他們的實驗。

FinalSpark公司創(chuàng)始人合影：Fred Jordan和Martin Kutter博士

Neuroplatform的生物計算機基于可以被分類為濕件（Wetware）的架構(gòu)：這是硬件、軟件和生物學的混合。

該平臺提供的主要創(chuàng)新是通過使用四個多電極陣列（MEAs），其中包含活組織 —— 類器官，它們是大腦組織的3D細胞團塊。

FO（前腦類器官）生成和多電極陣列（MEA）設(shè)置

每個MEA包含四個類器官，通過八個用于刺激和記錄的電極進行連接。

數(shù)據(jù)通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Intan RHS 32控制器）來回傳輸，采樣頻率為30kHz，分辨率為16位。

這些關(guān)鍵的架構(gòu)設(shè)計特征由MEA的微流體生命維持系統(tǒng)和監(jiān)控攝像頭支持。同樣重要的是，軟件堆棧允許研究人員輸入數(shù)據(jù)變量，然后讀取和解釋處理器的輸出。

軟件設(shè)置

FinalSpark已向九個機構(gòu)提供了對其遠程計算平臺的訪問權(quán)限，以幫助推動生物加工的研究和開發(fā)。通過這些機構(gòu)的合作，它希望創(chuàng)造世界上第一個活體處理器。

此外，已經(jīng)有三十多家大學對訪問Neuroplatform感興趣。為了訪問Neuroplatform，教育機構(gòu)需要為每個用戶訂閱500美元/月。 

生物芯片「壽命」大約100天

雖然樣機已經(jīng)完成，在線服務也已開啟，但這類生物處理器在現(xiàn)實實驗運用中仍存在著一定的局限?，F(xiàn)在看起來，壽命是個大問題。

硅芯片可以使用多年，有時甚至幾十年。與此相對，形成生物處理器的神經(jīng)結(jié)構(gòu)雖然也被認為有很長的壽命，但FinalSpark表示，它們只「適合運行幾個月的實驗」。

最初，該公司的MEAs只能持續(xù)幾個小時，但對系統(tǒng)的改進意味著類器官的壽命目前預計約為100天。

參考鏈接：

https://www.tomshardware.com/pc-components/cpus/worlds-first-bioprocessor-uses-16-human-brain-organoids-for-a-million-times-less-power-consumption-than-a-digital-chip