對話中科院生物物理所司光偉：“賽博果蠅”出圈，數字生命瓶頸在基礎科學

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第149期，對話中國科學院生物物理研究所研究員司光偉。

嘉賓簡介：

司光偉，中國科學院生物物理研究所研究員，博士生導師，認知科學與心理健康全國重點實驗室，研究組長。研究方向為神經編碼，運動控制、系統與計算神經科學。

• 這次是用一個生物大腦結構的神經網絡，去控制一個生物的身體，不需要很復雜的訓練就能做得不錯。說明連接組本身就蘊含著一定的具身智能，我覺得這是最主要的貢獻。

• 數字生命真正的瓶頸在于基礎研究。微觀連接組的繪制是神經科學的重要里程碑，也是理解大腦工作原理的新起點。

• 我們在神經科學方面的研究雖然起步晚，但發展勢頭很好，猶如一支要長期大漲的股票的起點，正處在值得果斷投入的關鍵時期。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

一只小果蠅在屏幕上醒來，它梳理身體、轉身、覓食，每一個動作看起來好像與真的果蠅別無二致。然而，驅動這只虛擬果蠅的并非預設的動畫代碼，而是一個由12.5萬個神經元、5000萬個突觸連接構成的“數字大腦”。

近日，美國一家公司發布了一段演示視頻，在全球科技圈投下了一枚炸彈。這個被馬斯克驚嘆“Wow”的項目，首次實現了從生物連接組到物理模擬身體的完整閉環。

換句話說，科學家們不僅復刻了果蠅的大腦線路圖，還讓這個“賽博大腦”在一具虛擬果蠅軀體中真正“活”了過來。

這項技術的最終目的是什么？還存在哪些問題？未來人類是不是能像科幻片中的場景一樣，將自己的大腦上傳實現賽博永生？帶著這些問題，搜狐科技對話了中國科學院生物物理研究所司光偉研究員。

讓馬斯克點贊的“賽博果蠅”突破有多大？

司光偉的實驗室里，大大小小的儀器一應俱全，兩間分別標有18℃和25℃的屋子里存放著密密麻麻的瓶瓶罐罐。走近一看，每一只瓶身、瓶底，都趴著數不清的小點。

“看，這就是果蠅，比我們想象中的還要小些，它的神經元相比于小鼠或者我們人類，都要少得多。”司光偉說。

“我看到這段視頻是同事轉給我的，起初主要看到‘大腦上傳’、‘馬斯克驚呼’這些宣傳，后來讀了作者團隊發布的文檔，發現它確實做得比以前好，但還在預期范圍內。”

這項工作是基于此前的兩個方向的研究。一是繪制果蠅全腦微觀連接圖譜，能知道每個神經元是怎么連接的，以及對這個網絡的計算模擬，不過還沒有身體。

另一個是用顯微CT等方法，把果蠅的外骨骼、關節等身體結構刻畫得極其精細，做出了一個虛擬的果蠅身體，放在物理仿真平臺上模擬接觸、力等相互作用，但這個身體是用訓練的人工神經網絡驅動的，沒有“生物大腦”。

而這次的突破，就是把第一個工作中基于真實生物結構的模擬大腦，裝進了第二個工作中精細的身體模型里，讓它們結合起來。

“果蠅大腦的動態模擬，以前有人做過；果蠅身體的物理仿真，也有人做過。但這次是用一個生物大腦結構的網絡，去控制一個生物的身體，不需要很復雜的訓練就能做得不錯。這說明腦連接組本身就蘊含著一定的具身智能，我覺得這是最主要的貢獻?！彼竟鈧ソ忉尩?。

他們的仿真基礎是靜態的“連接組”，把解剖的果蠅大腦進行重金屬染色，切成40納米左右的薄片，再用電子顯微鏡逐層拍攝出超微結構，最后把所有神經元的形貌以及相互之間的連接重構出來。

在這個靜態的“電路圖”上，基于一些已知的電生理數據給每個神經元賦予參數，就像知道了電路里哪個是電阻、哪個是電容，然后根據圖紙做模擬。

不過，司光偉稱這里也存在一些問題。

一是神經元的內在參數不完整，神經元有極高的多樣性，被系統研究的只占很小一部分。而神經網絡本身是非線性復雜系統，它的動力學行為對參數敏感。如果參數設置不對，系統的狀態會完全不同。

二是化學環境的缺失，比如興奮狀態下，多巴胺、去甲腎上腺素等神經調制信號會改變神經元的工作區間，但連接組只能看到結構，看不到這些化學信息。微觀連接組還需要跟“化學連接組”來結合。

三是沒有可塑性，因為突觸的強弱被定格在標本被制成的那一瞬間，就無法像真實大腦那樣隨環境適應和學習進程動態變化。

在司光偉看來，這個“賽博果蠅”的視覺、本能行為做得不錯，但運動控制部分明顯不完整。他們只模擬了大腦層面，沒有加入相當于“脊髓”的真正控制軀體運動的神經環路。

但在真實生物體中，大腦發出指令后，需要小腦、脊髓等器官以及肢體上的神經反饋來精細執行動作，而在這個模型里，大腦下達命令后，后續的執行用的是簡化的行為模式，而不是基于生物神經環路的控制。

此外，像相對復雜的涉及精細空間導航等認知功能的腦區，尚不清楚是否被準確模擬了。

“數字生命”真正的瓶頸在于基礎研究

這只數字果蠅無法學習新東西，也沒有長期記憶，如果想讓它具備簡單的學習能力，難度是不是很大？

對此，司光偉表示：“現在的神經連接組已經足夠精細，對于那些科學上研究得比較清楚的突觸可塑性機制，相對容易就可以在現有模型上加入，讓部分連接隨著經驗和學習發生變化?！?/p>

但問題在于，被研究得清楚的機制畢竟還是少數；并且這些微觀機制，是否能在大尺度網絡上，復雜環境下起到預期的作用，還沒有被充分驗證過。

談到這，其實大家好奇的是，這項技術的最終目的是什么？未來數字人會不會真的成為可能？

對此，司光偉解釋道：“我覺得這個工作目前的作用是提供一個測試平臺，可以讓研究者用這個平臺來檢驗他們的想法，模擬實驗室里不容易做的復雜環境下的行為，從而發現一些新的問題?！?/p>

至于數字人，司光偉認為軀體或者身體細節方面是相對容易做到的，但大家最關心的記憶、情感、意識等可能還非常難。比如，理解清楚意識的神經涌現機制，就需要在基礎研究上先有突破。

但從果蠅到小鼠再到人腦，數字生命的時間線并不好預測。前期的積累過程可能會比想象中的更漫長，但一旦實現突破，可能會迎來爆發式的發展。

在司光偉看來，工程上繪制小鼠的全腦微觀連接組是可行的，選擇合適的技術路線，投入足夠資源，假以時日一定能夠做出來，也將會是神經科學的重要里程碑。

但工程實現之后，就遇到科學上的瓶頸，從連接圖譜到理解各種認知功能是如何從中涌現，仍需要大量的基礎研究工作。就像基因組計劃的完成，是生命科學的里程碑，也是系統理解生命過程的新起點。

那如果未來我們想在實驗室里看到一只“數字小鼠”，還需要多久呢？

“我覺得‘數字小鼠’的時間表取決于如何定義‘像’：第一步是樣子像，借助現有精細成像技術，相對比較快就能做到；接下來要動作像，需要對力學、材料、感覺運動控制等有系統的理解，會困難一些，但在未來也是可以預見的?！?/p>

“最終想要行為像，像真實小鼠那樣知道自己的窩在哪、可以向同伴傳遞信息、能夠與貓博弈，時間則難以估計。從‘形似’到‘神似’，數字生命的涌現會經歷一個從漸進積累到突破爆發的過程。”

神經科學研究發展很快

當被問及研究中的瓶頸時，司光偉沒有大談困難，反而分享了幾段令他“興奮”的瞬間。

在嗅覺研究中，與視覺不同，因為顏色本質上是光的頻率，可以用一個簡單的物理參數來描述，但嗅覺世界卻雜亂無章，氣味分子聞起來有的刺鼻、有的愉悅，它們的化學結構也是五花八門，似乎沒有簡單的坐標軸。

“我們能從果蠅實驗數據的積累中感覺到，分子和受體之間的相互作用可能具有非常簡單的規律，就像光的頻率影響顏色感知一樣，但我們還無法精確描述它是什么。這讓我們既興奮，又無助，明明知道那里有規律，卻找不到合適的語言來描述它。我們在和化學家合作一起想辦法?！?/p>

在運動控制研究中，他們又遇到了另一個興奮瞬間。原本他們認為某些神經元只是“感受”身體狀態的感受神經元，但實驗發現，當激活這些神經元時，果蠅的身體真的會表現出那種狀態，就像“所感即所得”。你控制它想要什么樣子，它就能讓你變成什么樣子。

司光偉提到的一個果蠅“頓悟”的現象。在訓練果蠅將氣味與獎勵或懲罰聯系起來時，如果把很多個體的數據放在一起看，會得到一條平滑的學習曲線，訓練次數越多，學會的比例越高。

但觀察單個果蠅時，故事則完全不同。有的果蠅第三次訓練就突然會了，但第二次還不會；有的到第十次才會。每只果蠅都在頓悟，個體有差別，只是頓悟的瞬間不一樣。

果蠅研究帶來了這么多有趣的發現，司光偉覺得大家可能對果蠅的價值低估了。

“以當下的技術，我們還沒有辦法像研究果蠅的大腦一樣精細、系統地研究人的大腦。而果蠅的神經系統規模適中，各方面的知識與技術積累已相對完備，當前正處于突破認知功能的神經涌現機制的關鍵窗口期?！?/p>

談及中國在連接組領域的位置時，司光偉坦言：“第一個線蟲的連接組是在英國做出來的，果蠅的連接組是在美國做出來的，其中果蠅幼蟲連接組團隊后來去了英國。在這方面，美歐在我們前面?！?/p>

“不過，我們雖然起步晚，但發展勢頭很好，我們都期待著在未來的某個里程碑是我們中國科學家最先到達的?！?/strong>司光偉說道。

司光偉本人是從物理學轉到生物學的，就像他說的那樣，“現代神經科學才100多年歷史，很多很重要、很基本的問題都還沒有解決。神經科學研究的層次很豐富，科學探索的空間還很大。雖然我們來晚了一些，但重大科學發現的機會還是有很多的。”

所以對于那些有志于從事神經科學的年輕人，司光偉稱現在就像“在一支要長期大漲的股票的低點，要抓緊買入”。而且機會均等，神經科學領域有各種專業背景的學者，大家把各個學科的方法和思想都帶進來，一起來做。

“最后還要補充一點，數字果蠅的基礎是大量的實驗工作。神經科學還遠沒到只靠計算模擬的階段。計算與實驗的緊密結合，才能推動這一年輕學科的持續深入發展。”司光偉如是說。

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