特刊：但澳门威尼斯人注册网站研究

生物学和技术之间的界限已经模糊——没有回头路

波士顿大学的科学家们反思了这个界面是如何改变世界的，以及人工智能、合成生物学和生物医学工程的潜力

你有没有用Waze尽快从A点到达B点？你有没有让Alexa或Siri推荐一些音乐，或者在你的文本或电子邮件中自动纠正改进的拼写？你有没有停下来想过这些技术对你的决定和行为的影响，或者这些技术只是无缝地融入了你与世界互动的方式？

波士顿大学文科与科学学院（College of Arts & Sciences）计算机科学副教授、波士顿大学人工智能（AI）硕士项目主任凯特•萨恩科（Kate Saenko）表示：“想想每天你与人工智能主体合作多少次。”“我们一直在使用技术来帮助我们完成一些小工作和任务。”

尽管并非所有这些技术都是真正的人工智能，但Saenko表示，随着时间的推移，我们可以期待它们越来越接近模仿人类的决策。她想知道，当我们到了那个时候，我们是会把这些人工智能人性化，还是仍然把它们当作技术？

她说：“我们从人类的学习和智慧中汲取了很多灵感——这是我们所知道的唯一模式，这也是我们试图用人工智能复制的东西。”“我们现在使用的最常见的方法是人工神经网络，它可以用来解释复杂的数据，比如破译一段话的意思。”

这些人工智能网络变得越来越大，越来越强大，但与它们的灵感来源相比，它们仍然相形见绌。Saenko说NVIDIA公司已经开发出一种神经网络模型，这是迄今为止最大的神经网络，据称它有一万亿的连接。相比之下，人类大脑中神经连接的数量估计为100万亿。

为了让人工智能继续发展并变得更加复杂，科学家们首先需要更多地了解人类大脑的运作方式。“我们仍在努力弄清楚这个东西是如何在我们自己的耳朵之间工作的，”萨金特学院和医学院健康与康复科学学院的健康科学副教授、萨金特人类系统神经科学实验室主任巴利斯·齐科普罗斯说。他和波士顿大学的其他澳门威尼斯人注册网站研究人员正在绘制人类大脑的神经连接图，并利用这些数据建立一个人工智能计算机模型。

Zikopoulos说：“这将是我们用来了解人类大脑在发育过程中如何变化的另一个工具。”“一旦我们能够查看计算机模拟人脑中的所有数据，那么我们将能够开始破坏该模型，并将其与我们所知道的患有睡眠障碍、自闭症、精神分裂症、抑郁症等疾病的人进行比较。”

Zikopoulos希望最终模拟的大脑可以被临床医生用来模拟病人的大脑，以诊断心理障碍和脑部疾病，并设计和测试个性化治疗或干预的效果，以改善病人的大脑健康和福祉。

他说：“一旦你对大脑中导致紊乱的结构机制有了更好的了解，你就可以找出哪种疗法或干预措施可能会产生效果。”他设想这种干预可能包括脑深部电极刺激或影响大脑活动的药物。然而，在模拟大脑变得足够复杂，能够对单个病人的大脑提供那种程度的洞察和预测之前，必须要覆盖新的伦理基础。

“人类必须就如何定义意识达成共识，”Zikopoulos说。“我们仍然没有一个很好的定义。”

“我们很快就会发现自己，如果我们还没有，问题不仅仅是定义技术和生物学之间的界限，而是需要社会科学家和人文主义者的帮助来确定：作为人类意味着什么？”Eric Kolaczyk说，他是中科院数学和统计学教授，也是波士顿大学Rafik B. Hariri计算和计算科学与工程澳门威尼斯人注册网站研究所所长。“辅助设备和技术，如果我们把它们降到细胞水平——这对我们所认为的人类意味着什么？”我们如何以负责任的方式在社会上引导这些问题？”

科拉奇克说，哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所的建立是为了促进澳门威尼斯人注册网站研究人类和技术之间的界面的对话，比如人类的倾向，比如偏见，是如何——而且经常——进入技术的。

他说：“如果你以一种有偏见的方式获得数据，你的分析就会受到影响，这并不是一个新问题。”“这是一个受到大量审查的问题，从数据集中存在偏见到纠正这种偏见，并使人机交互尽可能公正。”

工程生物学

科学家们还从日益强大的成像、传感和探测技术中获得见解，并应用我们对组织、细胞和分子力学的了解来开发新的基于生物学的工具。

想象一下，例如，未来器官可以人工种植或制造，以帮助解决全球可移植器官短缺的问题。或者食物蛋白质或碳水化合物可以按需生产，而不需要种植整个动物或植物。

“到目前为止，生物学主要是一门描述科学——就像我们可能想到的天文学一样——因为这个领域一直专注于试图弄清楚事物是如何运作的，”工程学院生物医学工程和材料科学与工程教授、波士顿大学生物设计中心创始主任克里斯·陈（Chris Chen）说。“工程一直都是试图充分理解并充分利用它....从开发工具来理解事物是如何工作的——分子生物学工具、基因工程等——到一种思维方式的逐渐转变，让我们构建这些东西来弄清楚我们可以在生物系统中改变和控制什么。”

“工程生物学”的概念已经以CAR（嵌合抗原受体）t细胞疗法的形式出现，这种疗法可以使基因工程免疫细胞进入攻击模式，攻击难以治疗的癌症；随着转基因植物的发展，能够更好地承受与气候变化有关的环境条件或天气；最近，值得注意的是，即使发明了合成衍生的mRNA，用于为Moderna和辉瑞- biontech的COVID-19疫苗提供动力。

“像这样的发展只有在合成生物学和基因工程兴起后才有可能，”陈说。“既然界限已经模糊了，我认为人们更有兴趣弄清楚我们能控制什么。”

合成生物学是一个新兴的澳门威尼斯人注册网站研究领域，它设计和制造新的生物部件、设备和系统，通常直接受到计算机硬件和软件的启发，以及活细胞、生物体和其他自然系统的部件和内部工作原理。

十多年前，陈与Wyss生物启发工程澳门威尼斯人注册网站研究所和波士顿儿童医院的合作者共同发明了器官芯片技术。如今，芯片上的器官——一种含有模仿人体器官工作单元的结构和组织的塑料微芯片——已经商品化。它们被制药公司用于测试药物化合物，比基于动物的澳门威尼斯人注册网站研究模型更准确，并且正在开发用于各种其他未来用途，包括个性化医疗。

chen说，现在已经有可能模拟器官的单位，如肾脏的肾元或肺的气囊，为科学家们解决更雄心勃勃的目标，如工程功能的整个器官，奠定了基本的基础。

这些结构会是什么样子呢？陈说：“这种可能性非常高，工程组织或器官看起来可能与我们天生的组织或器官非常不同。”“最初受到鸟类启发的飞机就是一个很好的例子。今天它们看起来不像鸟，但它们都有翅膀。说到工程器官，当我们开始更好地理解什么对功能最重要时，我们就能在结构和设计方面区分出什么是必要的，什么是不必要的。

按需合成生物学

电气和计算机工程的工程学教授道格拉斯·登斯莫尔说：“COVID，无论好坏，已经向世界表明，我们都受到生物学的影响，我们快速设计解决生物学问题的能力在未来将至关重要。”生物学本质上是自然界对生物进行编程的方式，对于那些看到其控制人类健康甚至整个生态系统潜力的工程师来说，这是一个有吸引力的平台。

“你和我都是活生生的、会呼吸的、充分实现了生物学潜能的人，”登斯莫尔说。“是生物学决定了我们的思想和语言。是生物学控制着我们自我组装成两条胳膊，两只手。在20世纪40年代、50年代和60年代，人们意识到我们可以用硅加上电子来制造导体和计算机。现在我们可以读写DNA，而不是电脑。这是一种新的信息编码方式。”

登斯莫尔希望让年轻人参与合成生物学的未来；他是一项为期三年、耗资230万美元的美国国防部拨款项目的首席澳门威尼斯人注册网站研究员，该项目将为缺医少药的高中生提供合成生物学方面的速成课程，并让他们有机会进入生物技术公司。

在他的实验室里，他致力于让生物创新像下定制订单一样触手可及。登斯莫尔设想，有一天合成生物学可以被更广泛地传播，也许可以通过尚未发明的机器来实现，这些机器可以坐在我们的家中，就像打印机一样普遍。

登斯莫尔说：“生物制造中心可以按需制造食物、治疗药物、材料，甚至是可持续能源单位。”“这些中心或机器可以制造工程细菌来帮助我们的花园施肥，制造看起来和尝起来都像红薯的细胞，或者制造可持续建筑材料来修补我们家里的泄漏。”

生物医学工程助理教授艾莉森·斯格罗（Allyson Sgro）很可能希望看到这样的机器能够按需抽出组织，以比现代创可贴更好地保护和治愈伤口。“我们目前的伤口愈合策略并不完美；我们可以从深深的伤口中愈合，但我们并不擅长，”她说。“微生物种群有更好的自我重组方式，它们能顽强地适应生存——我发现它们的应对工具出乎意料地鼓舞人心。”

Sgro澳门威尼斯人注册网站研究微生物如何在不断变化的环境中做出反应并茁壮成长——她正在寻找微生物用来感知环境、处理信息并相应地适应环境的生物“算法”。Sgro说，黏菌为解决食物短缺或环境不稳定等问题而创造新功能的不同方式给她留下了深刻的印象。

“我们能否创建一个系统，让任何人都能动态地对威胁做出反应，并‘修复’自己？”Sgro奇迹。“我们是否可以在某一天为伤口提供一种液体治疗方法，这种方法可以动态地感知伤口的状态，并随着时间的推移适应伤口愈合过程的每个阶段？”现在，我们每一步都要改变治疗方法。如果治疗本身‘知道’治疗感染的最佳方法，对于那些生活在资源匮乏地区、无法多次就医的患者来说，这可能真的会改变他们的生活。”

Sgro希望类似的方法甚至可以用于开发动态癌症治疗，治疗复杂的感染，或治愈无数其他疾病。这种可能性远远超出了人类健康的范畴。她梦想着有一天，微生物可以用来清理石油泄漏或大气碳等环境危害，然后安全地自我毁灭。

斯格罗说：“我认为，未来我们会有更多的工作需要人工智能。”“像气候变化这样的问题需要双管齐下，既要改变我们的行为，又要开发新技术。生命系统已经有了处理二氧化碳的方法”——看看植物就知道了。“更广泛地说，我认为有一个巨大的机会来发展更多的动态解决方案和编程生物系统，以感知环境中的威胁，然后调度这些威胁。”

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