对话中科院生物物理所司光伟：“赛博果蝇”出圈，数字生命瓶颈在基础科学_大脑_模拟_研究

这项技术的最终目的是什么？还存在哪些问题？未来人类是不是能像科幻片中的场景一样，将自己的大脑上传实现赛博永生？带着这些问题，搜狐科技对话了中国科学院生物物理研究所司光伟研究员。

让马斯克点赞的“赛博果蝇”突破有多大？

司光伟的实验室里，大大小小的仪器一应俱全，两间分别标有18℃和25℃的屋子里存放着密密麻麻的瓶瓶罐罐。走近一看，每一只瓶身、瓶底，都趴着数不清的小点。

“看，这就是果蝇，比我们想象中的还要小些，它的神经元相比于小鼠或者我们人类，都要少得多。”司光伟说。

“我看到这段***是同事转给我的，起初主要看到‘大脑上传’、‘马斯克惊呼’这些宣传，后来读了作者团队发布的文档，发现它确实做得比以前好，但还在预期范围内。”

这项工作是基于此前的两个方向的研究。一是绘制果蝇全脑微观连接图谱，能知道每个神经元是怎么连接的，以及对这个网络的计算模拟，不过还没有身体。

另一个是用显微CT等方法，把果蝇的外骨骼、关节等身体结构刻画得极其精细，做出了一个虚拟的果蝇身体，放在物理仿真平台上模拟接触、力等相互作用，但这个身体是用训练的人工神经网络驱动的，没有“生物大脑”。

而这次的突破，就是把第一个工作中基于真实生物结构的模拟大脑，装进了第二个工作中精细的身体模型里，让它们结合起来。

“果蝇大脑的动态模拟，以前有人做过；果蝇身体的物理仿真，也有人做过。但这次是用一个生物大脑结构的网络，去控制一个生物的身体，不需要很复杂的训练就能做得不错。这说明脑连接组本身就蕴含着一定的具身智能，我觉得这是最主要的贡献。”司光伟解释道。

他们的仿真基础是静态的“连接组”，把解剖的果蝇大脑进行重金属染色，切成40纳米左右的薄片，再用电子显微镜逐层拍摄出超微结构，最后把所有神经元的形貌以及相互之间的连接重构出来。

在这个静态的“电路图”上，基于一些已知的电生理数据给每个神经元赋予参数，就像知道了电路里哪个是电阻、哪个是电容，然后根据图纸做模拟。

不过，司光伟称这里也存在一些问题。

一是神经元的内在参数不完整，神经元有极高的多样性，被系统研究的只占很小一部分。而神经网络本身是非线性复杂系统，它的动力学行为对参数敏感。如果参数设置不对，系统的状态会完全不同。

二是化学环境的缺失，比如兴奋状态下，多巴胺、去甲肾上腺素等神经调制信号会改变神经元的工作区间，但连接组只能看到结构，看不到这些化学信息。微观连接组还需要跟“化学连接组”来结合。

三是没有可塑性，因为突触的强弱被定格在标本被制成的那一瞬间，就无法像真实大脑那样随环境适应和学习进程动态变化。

在司光伟看来，这个“赛博果蝇”的视觉、本能行为做得不错，但运动控制部分明显不完整。他们只模拟了大脑层面，没有加入相当于“脊髓”的真正控制躯体运动的神经环路。

但在真实生物体中，大脑发出指令后，需要小脑、脊髓等器官以及肢体上的神经反馈来精细执行动作，而在这个模型里，大脑下达命令后，后续的执行用的是简化的行为模式，而不是基于生物神经环路的控制。

此外，像相对复杂的涉及精细空间导航等认知功能的脑区，尚不清楚是否被准确模拟了。

“数字生命”真正的瓶颈在于基础研究

这只数字果蝇无法学习新东西，也没有长期记忆，如果想让它具备简单的学习能力，难度是不是很大？

对此，司光伟表示：“现在的神经连接组已经足够精细，对于那些科学上研究得比较清楚的突触可塑性机制，相对容易就可以在现有模型上加入，让部分连接随着经验和学习发生变化。”

但问题在于，被研究得清楚的机制毕竟还是少数；并且这些微观机制，是否能在大尺度网络上，复杂环境下起到预期的作用，还没有被充分验证过。

谈到这，其实大家好奇的是，这项技术的最终目的是什么？未来数字人会不会真的成为可能？

对此，司光伟解释道：“我觉得这个工作目前的作用是提供一个测试平台，可以让研究者用这个平台来检验他们的想法，模拟实验室里不容易做的复杂环境下的行为，从而发现一些新的问题。”

至于数字人，司光伟认为躯体或者身体细节方面是相对容易做到的，但大家最关心的记忆、情感、意识等可能还非常难。比如，理解清楚意识的神经涌现机制，就需要在基础研究上先有突破。

但从果蝇到小鼠再到人脑，数字生命的时间线并不好预测。前期的积累过程可能会比想象中的更漫长，但一旦实现突破，可能会迎来爆发式的发展。

在司光伟看来，工程上绘制小鼠的全脑微观连接组是可行的，选择合适的技术路线，投入足够***，***以时日一定能够做出来，也将会是神经科学的重要里程碑。

但工程实现之后，就遇到科学上的瓶颈，从连接图谱到理解各种认知功能是如何从中涌现，仍需要大量的基础研究工作。就像基因组***的完成，是生命科学的里程碑，也是系统理解生命过程的新起点。

那如果未来我们想在实验室里看到一只“数字小鼠”，还需要多久呢？

“我觉得‘数字小鼠’的时间表取决于如何定义‘像’：第一步是样子像，借助现有精细成像技术，相对比较快就能做到；接下来要动作像，需要对力学、材料、感觉运动控制等有系统的理解，会困难一些，但在未来也是可以预见的。”

“最终想要行为像，像真实小鼠那样知道自己的窝在哪、可以向同伴传递信息、能够与猫博弈，时间则难以估计。从‘形似’到‘神似’，数字生命的涌现会经历一个从渐进积累到突破爆发的过程。”

神经科学研究发展很快

当被问及研究中的瓶颈时，司光伟没有大谈困难，反而分享了几段令他“兴奋”的瞬间。

在嗅觉研究中，与视觉不同，因为颜色本质上是光的频率，可以用一个简单的物理参数来描述，但嗅觉世界却杂乱无章，气味分子闻起来有的刺鼻、有的愉悦，它们的化学结构也是五花八门，似乎没有简单的坐标轴。

“我们能从果蝇实验数据的积累中感觉到，分子和受体之间的相互作用可能具有非常简单的规律，就像光的频率影响颜色感知一样，但我们还无法精确描述它是什么。这让我们既兴奋，又无助，明明知道那里有规律，却找不到合适的语言来描述它。我们在和化学家合作一起想办法。”

在运动控制研究中，他们又遇到了另一个兴奋瞬间。原本他们认为某些神经元只是“感受”身体状态的感受神经元，但实验发现，当激活这些神经元时，果蝇的身体真的会表现出那种状态，就像“所感即所得”。你控制它想要什么样子，它就能让你变成什么样子。

司光伟提到的一个果蝇“顿悟”的现象。在训练果蝇将气味与奖励或惩罚联系起来时，如果把很多个体的数据放在一起看，会得到一条平滑的学习曲线，训练次数越多，学会的比例越高。

但观察单个果蝇时，故事则完全不同。有的果蝇第三次训练就突然会了，但第二次还不会；有的到第十次才会。每只果蝇都在顿悟，个体有差别，只是顿悟的瞬间不一样。

果蝇研究带来了这么多有趣的发现，司光伟觉得大家可能对果蝇的价值低估了。

“以当下的技术，我们还没有办法像研究果蝇的大脑一样精细、系统地研究人的大脑。而果蝇的神经系统规模适中，各方面的知识与技术积累已相对完备，当前正处于突破认知功能的神经涌现机制的关键窗口期。”

谈及中国在连接组领域的位置时，司光伟坦言：“第一个线虫的连接组是在英国做出来的，果蝇的连接组是在美国做出来的，其中果蝇幼虫连接组团队后来去了英国。在这方面，美欧在我们前面。”

“不过，我们虽然起步晚，但发展势头很好，我们都期待着在未来的某个里程碑是我们中国科学家最先到达的。”司光伟说道。

司光伟本人是从物理学转到生物学的，就像他说的那样，“现代神经科学才100多年历史，很多很重要、很基本的问题都还没有解决。神经科学研究的层次很丰富，科学探索的空间还很大。虽然我们来晚了一些，但重大科学发现的机会还是有很多的。”

所以对于那些有志于从事神经科学的年轻人，司光伟称现在就像“在一支要长期大涨的股票的低点，要抓紧买入”。而且机会均等，神经科学领域有各种专业背景的学者，大家把各个学科的方法和思想都带进来，一起来做。

“最后还要补充一点，数字果蝇的基础是大量的实验工作。神经科学还远没到只靠计算模拟的阶段。计算与实验的紧密结合，才能推动这一年轻学科的持续深入发展。”司光伟如是说。返回搜狐，查看更多