全球首个基于活体人脑细胞的生物处理器研制成功

来源：必达智库

近日，瑞士生物计算创业公司FinalSpark宣称，他们用活体脑细胞做成16核芯片。这种由“活的”类脑器官“构成的生物处理器（bioprocessor）的功耗比传统数字处理器低100万倍，已经做到能在系统中存活100天。基于该生物处理器，他们还开发了类似云计算平台的Neuroplatform，并已向9家机构提供远程访问权限。可以说，这是全球首个基于活体人脑细胞的生物处理器，是芯片发展历史上的一次伟大创举，也是生物计算领域的一个重要里程碑！

FinalSpark成立于瑞士，是一家专注于生物计算领域的创业公司。公司致力于开发生物处理器，以解决传统硅基芯片在功耗和效率方面的局限性。FinalSpark的生物处理器使用人类脑细胞，即人脑类器官作为核心计算单元，这些类器官是“活的”，能在系统中存活并发挥作用。该技术基于人体诱导性多能干细胞（iPSC）衍生的神经干细胞（NSC）培育出神经元。这些神经元被组织成半毫米厚的4个类器官组织块，每个类器官大约包含10,000个活体人类脑细胞。每个类器官都植入8个电极。

这种生物处理器具有诸多的优势特点。一是能效高。FinalSpark宣称，这种生物处理器的功耗比传统数字处理器低100万倍。考虑到人脑以约860亿个神经元运作而仅消耗约20W的功率，这种生物活体处理器在能效上具有显著优势。目前训练一个像GPT-3这样的大型语言模型大约需要10GWh的能量，而生物处理器的成功部署可能会大幅减少这样的能源消耗。由于生物处理器的低功耗特性，它可以大大减少计算对环境的影响。这对于解决当前计算任务中存在的能耗问题具有重要意义。二是具有生物兼容性。该生物处理器由人脑类器官的生物神经元驱动，这些类器官能够学习和处理信息。由于这些类脑器官是“活的”，并且能够在系统中存活长达100天，它们展现出了与传统硅基芯片截然不同的生物兼容性和长期稳定性。

FinalSpark将每个类脑器官的生物处理器与其他3个类脑器官生物处理相连，开发了名为Neuroplatform的类似云计算平台。通过电刺激或多巴胺等化学物质的训练，4个这样的类器官网络相互连接，形成了由16个类器官组成的全球首个生物活体处理器，也就是一个能够发送和接收电信号的网络。在硬件设计方面，Neuroplatform采用了多电极阵列（MEA），其中包含活组织——类器官，它们是大脑组织的3D细胞团块。每个MEA包含四个类器官，通过八个用于刺激和记录的电极进行连接。在软件支持方面，FinalSpark开发了一个专门的API，可以通过Python库或使用交互式计算进行远程研究。基础设施支持完全远程使用，使得研究人员能够更方便地进行电生理实验。在监测与维护方面，Neuroplatform通过微流体生命维持系统和监控摄像头来确保类器官的稳定运行。软件堆栈允许研究人员输入数据变量，然后读取和解释处理器的输出。在寿命延长方面，FinalSpark通过改进MEA系统，确保类器官的寿命达到100天。这对于进行长期的电生理实验具有重要意义。

这种生物处理器及其所组成的计算平台具有广泛的应用前景。目前，FinalSpark基于这种生物处理器所开发的Neuroplatform平台还只是在科研进行应用。Neuroplatform已向九个机构提供了对其远程计算平台的访问权限，每个使用Neuroplatform的用户每月需支付500美元的费用，以帮助推动生物加工的研究和开发，同时还有36家大学课题组提出了访问申请。

类人脑器官生物处理器目前还面临着诸多的技术挑战。一是尽管生物活体处理器在能效和生物兼容性方面具有优势，但其生命周期相对较短，目前最长能维持100天。这与硅芯片相比存在一定局限性。硅芯片可以使用多年，而生物组件则需要为系统提供能量，并且面临死亡问题。因此，如何进一步延长其生命周期是未来需要解决的关键问题。二是要实现使用活体生物处理器进行计算，还需要精确地与神经元群建立电连接，并开发出一套不同于机器学习反向传播的“生物学习算法”。

应该说，FinalSpark的这一创新技术为计算领域带来了新的可能性，展现了生物计算在能效和环保方面的巨大潜力。尽管目前还存在一些技术和稳定性方面的挑战，但这一突破无疑为未来计算技术的发展指明了一个新的方向。随着研究的深入和技术的完善与成熟，未来生物处理器有望在人工智能、数据分析等更多领域得到商业应用，为解决传统计算问题提供新的可能性。

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