电脑里的线虫，已经会用尾巴举杆子了！

生物神经系统和电脑程序之间是否存在本质性的区别？我们的大脑活动和机器学习本质上是否就是同一回事？

翻译 严冰冰

科学家的好朋友秀丽隐杆线虫（C.elegans）Credit: TU Wien

在维也纳技术大学（TU Wien, Vienna）的实验室中，电脑程序（computer program）和真实生命（living being）之间的界限正在被一点点瓦解：一只线虫的神经系统被转写成了电脑编码，然后这只虚拟的线虫被指导完成各式各样的把戏。

对科学家而言，只有1mm长的秀丽隐杆线虫（C.elegans）是一个相当有意思的研究对象。它是现存唯一一种全部神经系统都被分析完毕的生物体：它的神经系统可以画成一副回路图；也可以用电脑软件再现，从而在电脑程序上模拟线虫的神经活动。

在维也纳技术大学，这样一只“人工”虚拟线虫便学会一项出色的技巧：用它的尾巴尖上顶住一根树立的杆子。

秀丽隐杆线虫仅依靠区区300个神经细胞生活下去，但这足以帮助它们完成的日常活动包括寻找路径、吞食细菌和回应外界刺激等活动。比如当线虫的身体被触摸时，将触发相应的射反应帮助线虫蠕动逃走。

这一简单行为取决于由线虫的神经细胞、及神经细胞之间的突触连接强度。当人们在电脑中将这个简单的反射网络重建后，受到程序刺激的虚拟线虫会产生跟触摸刺激一模一样的反应。

维也纳技术大学计算工程研究所的研究人员 Ramin Hasani 表示，“‘触摸逃跑’这种神经回路的反射反应，和一个控制树立杆子平衡的反应非常相像。”将一根杆子的一端固定在一个移动的物体上，让杆子始终保持竖直——是一种典型的控制问题，利用标准控制系统可以完美地处理：每当棒子开始倾斜时，物体就需要轻微移动以保持棒子竖直。这就好比每当线虫受到触摸刺激时，它都需要改变方向。（如下图）

Mathias Lechner, Radu Grosu 和 Ramin Hasani 这三位研究人员感到好奇，对于电脑程序上的虚拟线虫的神经系统而言，是否能在不添加任何神经细胞情况下，只是通过调整突触连接的强度来解决该控制问题。而其中的本质——调整突触连接强度——也是任何自然学习过程的基础和特征。

图1 线虫对触摸刺激的反应（左）和虚拟线虫平衡树立的杆子（右）的对比

Credit: TU Wien

没有程序员的程序

最终，该团队成功地教会了虚拟线虫如何去平衡一根杆子。Mathias Lechner 解释道，“通过强化学习（又称‘基于实验和奖励的学习’），虚拟线虫的神经网路在电脑上被不断训练和优化。” Radu Grosu补充说道：“实际上，它最终成为了一个解决杆子平衡的控制系统。特别之处在于，没有任何人为这个控制系统写过一句代码，它仅是通过训练一个已有的生物神经系统而生成的。”

该团队将会继续研究这一类有趣的问题。或许这样的问题能让人想得更远——生物神经系统和电脑程序之间是否存在本质性的区别？我们的大脑活动和机器学习本质上是否就是同一回事？这些问题将持续困扰着人类，而科学家的好朋友秀丽隐杆线虫大概不会太在意它是生在电脑里、还是活在泥土中。