[论文解读] Can we build a conscious machine?

Dorian Aur|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Neuroscience and Neural EngineeringNeuroscience参考文献 64被引用 1

一句话总结

本文提出通过在混合系统中培育生物进化的大脑，结合数字计算机以维持内环境稳态并输送营养物质，从而构建具有意识的机器。该系统基于神经电动力学原理，通过替代现实（substitutional reality）对大脑进行训练，利用分子层面的电波干涉触发意识体验出现的临界点。

ABSTRACT

The underlying physiological mechanisms of generating conscious states are still unknown. To make progress on the problem of consciousness, we will need to experimentally design a system that evolves in a similar way our brains do. Recent experimental data show that the multiscale nature of the evolving human brain can be implemented by reprogramming human cells. A hybrid system can be designed to include an evolving brain equipped with digital computers that maintain homeostasis and provide the right amount of nutrients and oxygen for the brain growth. Shaping the structure of the evolving brain will be progressively achieved by controlling spatial organization of various types of cells. Following a specific program, the evolving brain can be trained using substitutional reality to learn and experience live scenes. We already know from neuroelectrodynamics that meaningful information in the brain is electrically (wirelessly) read out and written fast in neurons and synapses at the molecular (protein) level during the generation of action potentials and synaptic activities. Since with training, meaningful information accumulates and is electrically integrated in the brain, one can predict, that this gradual process of training will trigger a tipping point for conscious experience to emerge in the hybrid system.

研究动机与目标

• 解决人工系统中意识如何产生的未解问题，突破数字模拟的局限。
• 提出一种基于生物的意识方法，使用进化的人类神经组织而非人工神经网络。
• 证明意识体验可能通过训练诱导的电学整合在活体、进化的大脑系统中涌现。
• 建立一个测试混合生物-数字系统中意识、智能与神经可塑性的框架。
• 提供一条可扩展、实验可行的路径，利用现有生物技术和纳米神经科学构建意识机器。

提出的方法

• 设计一个混合系统，通过数字计算机在体外维持生长中的人类脑类器官，实现营养输送、氧气供给和内环境稳态。
• 通过程序化细胞排列控制神经细胞类型的时空组织，以塑造进化大脑的结构。
• 使用替代现实（模拟感官环境）对大脑进行训练，以诱导学习并体验真实场景。
• 利用神经电动力学，通过在动作电位和突触活动期间产生的太赫兹电磁波，实现无线读出和写入有意义的信息。
• 利用分子层面的电波干涉（例如前向波与后向波）在神经元和突触的蛋白质水平上编码和整合信息。
• 应用上下文相关的波干涉，通过多个低振幅波的叠加产生非线性振动模式，以建模神经印记的形成，并支持意识状态的涌现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在混合生物-数字系统中，通过逐步训练和有意义信息的电学整合，意识状态是否可能涌现？
• RQ2 在使用重编程的人类细胞和受控细胞组织的条件下，人类大脑的多尺度、动态演化特性在多大程度上可以被复制？
• RQ3 在动作电位和突触活动期间产生的太赫兹电磁波是否在分子层面承载并传输有意义的信息？
• RQ4 通过在活体大脑系统中训练积累电学整合的信息，是否可以触发意识的临界点？
• RQ5 是否可行通过使用进化中的生物神经组织而非人工神经网络或数字模拟来构建意识机器？

主要发现

• 本文提出，当通过训练实现足够多有意义信息的电学整合并达到临界点时，意识体验可能在混合系统中涌现。
• 神经电动力学表明，信息在动作电位和突触活动期间以电磁波形式在分子（蛋白质）层面被编码、读出和传输。
• 神经活动期间产生的分子振动和太赫兹波被提议作为有意义信息的载体，波干涉在印记形成中起关键作用。
• 该系统的设计依赖于上下文波干涉，即多个低振幅波的叠加产生非线性振动，从而编码信息。
• 作者认为，当前的数字大脑模拟项目由于对神经复杂性的过度简化以及缺乏生物动力学，极有可能失败。
• 该项目可仅用最小组件（神经元、传感器、接口和计算机）启动，并通过跨学科合作逐步扩展。