Biocomputing med mini-hjerner som processorer kunne være mere kraftfulde end siliciumbaseret AI

Den menneskelige hjerne er en mester i beregninger. Det er ikke underligt, at fra hjerneinspirerede algoritmer til neuromorfe chips låner videnskabsmænd hjernens spillebog for at give maskiner et løft.

Alligevel fanger resultaterne - i både software og hardware - kun en brøkdel af beregningsmæssige forviklinger indlejret i neuroner. Men måske er den største blokering i at bygge hjernelignende computere, at vi stadig ikke helt forstår, hvordan hjernen fungerer. For eksempel, hvordan giver dens arkitektur – defineret af forudetablerede lag, regioner og stadigt skiftende neurale kredsløb – mening med vores kaotiske verden med høj effektivitet og lavt energiforbrug?

Så hvorfor ikke omgå denne gåde og bruge neuralt væv direkte som en biocomputer?

Denne måned, et hold fra Johns Hopkins University lagt en dristig plan for et nyt databehandlingsområde: Organoid intelligens (OI). Bare rolig – de taler ikke om at bruge levende menneskelig hjernevæv, der er koblet til ledninger i krukker. Snarere, som i navnet, er fokus på et surrogat: hjerneorganoider, bedre kendt som "mini-hjerne". Disse nuggets på størrelse med ærter ligner nogenlunde tidligt foster menneskelig hjerne i deres genekspression, bred vifte af hjerneceller og organisation. Deres neurale kredsløb udløses af spontan aktivitet, krusning af hjernebølger, og kan endda registrere lys og kontrollere muskelbevægelser.

I det væsentlige er hjerneorganoider højtudviklede processorer, der duplikerer hjernen i begrænset omfang. Teoretisk set kunne forskellige typer mini-hjerne kobles til digitale sensorer og output-enheder - ikke ulig hjerne-maskine-grænseflader, men som et kredsløb uden for kroppen. På lang sigt kan de oprette forbindelse til hinanden i en super biocomputer, der er trænet ved hjælp af biofeedback og maskinlæringsmetoder for at muliggøre "intelligens i en ret."

Lyder det lidt uhyggeligt? Jeg er enig. Forskere har længe diskuteret, hvor grænsen skal trækkes; det vil sige, når minihjernen bliver for lig en menneskelig, med det hypotetiske mareridtsscenarie, hvor nuggets udvikler bevidsthed.

Holdet er godt klar over. Som en del af organoid intelligens fremhæver de behovet for "indlejret etik", med et konsortium af videnskabsmænd, bioetikere og offentligheden, der vægter ind under udviklingen. Men for seniorforfatteren Dr. Thomas Hartung er tiden for at lancere organoid intelligensforskning nu.

"Biologisk databehandling (eller biodatabehandling) kunne være hurtigere, mere effektiv og mere kraftfuld end siliciumbaseret databehandling og AI, og kræver kun en brøkdel af energien," skrev holdet.

[Indlejret indhold]

En smart løsning

At bruge hjernevæv som computerhardware kan virke bizart, men der har været tidligere pionerer. I 2022, det australske selskab Cortical Labs lærte hundredtusindvis af isolerede neuroner i en skål at spille Pong inde i et virtuelt miljø. Neuronerne forbundet med siliciumchips drevet af dybe læringsalgoritmer til en "syntetisk biologisk intelligensplatform", der fangede grundlæggende neurobiologiske tegn på læring.

Her tog holdet ideen et skridt videre. Hvis isolerede neuroner allerede kunne understøtte en rudimentær form for biocomputing, hvad med 3D-minihjerne?

Siden deres debut for et årti siden er minihjerner blevet darlings til at undersøge neuroudviklingsforstyrrelser som autisme og teste nye lægemiddelbehandlinger. Ofte dyrket fra en patients hudceller - omdannet til inducerede pluripotente stamceller (iPSC'er) - organoiderne er særligt kraftfulde til at efterligne en persons genetiske sammensætning, inklusive deres neurale ledninger. For nylig menneskelige organoider delvis restaureret beskadiget syn hos rotter efter integration med deres værtsneuroner.

Med andre ord er minihjerner allerede byggesten til et plug-and-play biocomputing-system, der let forbindes med biologiske hjerner. Så hvorfor ikke bruge dem som processorer til en computer? "Spørgsmålet er: kan vi lære af og udnytte disse organoiders computerkapacitet?" spurgte holdet.

En heftig Blueprint

Sidste år forenede en gruppe af biocomputing-eksperter sig i første organoid efterretningsværksted i et forsøg på at danne et fællesskab, der tackler brugen og implikationerne af minihjerner som biocomputere. Det overordnede tema, konsolideret i "Baltimore-erklæringen", var samarbejde. Et mini-hjernesystem har brug for flere komponenter: enheder til at registrere input, processoren og et læsbart output.

I det nye papir forestiller Hartung sig fire baner for at accelerere organoid intelligens.

Den første fokuserer på den kritiske komponent: minihjernen. Selvom det er tæt pakket med hjerneceller, der understøtter indlæring og hukommelse, er organoider stadig vanskelige at dyrke i stor skala. Et tidligt nøglemål, forklarede forfatterne, er opskalering.

Mikrofluidiske systemer, der fungerer som "planteskoler", skal også forbedres. Disse højteknologiske boblebade giver næringsstoffer og ilt for at holde spirende minihjerner i live og sunde, mens de fjerner giftigt affald, hvilket giver dem tid til at modnes. Det samme system kan også pumpe neurotransmittere - molekyler, der bygger bro mellem neuroner - ind i specifikke regioner for at ændre deres vækst og adfærd.

Forskere kan derefter overvåge vækstbaner ved hjælp af en række forskellige elektroder. Selvom de fleste i øjeblikket er skræddersyet til 2D-systemer, er teamet og andre i gang med niveauet op med 3D-grænseflader, der er specielt designet til organoider, inspireret af EEG-hætter (elektroencefalogram) med flere elektroder placeret i en sfærisk form.

Så kommer afkodningen af ​​signaler. Den anden bane handler om at dechifrere hvornår og hvor af neural aktivitet inde i minihjernerne. Når de zappes med bestemte elektriske mønstre - for eksempel dem, der tilskynder neuronerne til at spille Pong - giver de de forventede resultater?

Det er endnu en svær opgave; læring ændrer neurale kredsløb på flere niveauer. Så hvad skal man måle? Holdet foreslår at grave ned i flere niveauer, herunder ændret genekspression i neuroner, og hvordan de forbindes til neurale netværk.

Det er her AI og samarbejde kan slå igennem. Biologiske neurale netværk er støjende, så der er behov for flere forsøg, før "læring" bliver tydeligt - hvilket igen genererer en syndflod af data. For teamet er maskinlæring det perfekte værktøj til at udtrække, hvordan forskellige input, behandlet af minihjernen, transformeres til output. Svarende til storstilede neurovidenskabelige projekter som f.eks BRAIN Initiative, kan videnskabsmænd dele deres forskning i organoid intelligens i et lokalt arbejdsområde for globale samarbejder.

Bane tre er længere ude i fremtiden. Med effektive og langtidsholdbare minihjerner og måleværktøjer i hånden er det muligt at teste mere komplekse input og se, hvordan stimulationen feeds tilbage til den biologiske processor. Gør det for eksempel sin beregning mere effektiv? Forskellige typer organoider - f.eks. dem, der ligner cortex og nethinden - kan sammenkobles for at opbygge mere komplekse former for organoid intelligens. Disse kunne hjælpe "empirisk at teste, udforske og videreudvikle neurocomputational teorier om intelligens," skrev forfatterne.

Intelligens on Demand?

Den fjerde bane er den, der understreger hele projektet: Etikken i at bruge mini-hjerne til biocomputing.

Da hjernens organoider i stigende grad ligner hjernen - så meget, at de kan integrere og delvist gendanne en gnavers skadede synssystem - videnskabsmænd spørger, om de kan få en slags bevidsthed.

For at være klar, er der ingen beviser for, at mini-hjerne er bevidste. Men "disse bekymringer vil stige under udviklingen af ​​organoid intelligens, efterhånden som organoiderne bliver strukturelt mere komplekse, modtager input, genererer output og - i det mindste teoretisk - behandler information om deres miljø og opbygger en primitiv hukommelse," sagde forfatterne. Målet med organoid intelligens er imidlertid ikke at genskabe menneskelig bevidsthed - det er snarere at efterligne hjernens beregningsmæssige funktioner.

Mini-hjerneprocessoren er næppe den eneste etiske bekymring. En anden er celledonation. Fordi minihjerner bevarer deres donors genetiske sammensætning, er der en chance for selektionsbias og begrænsning af neurodiversitet.

Så er der problemet med informeret samtykke. Som historien med den berømte kræftcellelinje HeLa-celler har vist, kan celledonation have multi-generationelle virkninger. "Hvad udviser organoiden om celledonoren?" spurgte forfatterne. Vil forskere have en forpligtelse til at informere donoren, hvis de opdager neurologiske lidelser under deres forskning?

For at navigere i det "virkelig ukendte territorium" foreslår teamet en indlejret etisk tilgang. På hvert trin vil bioetikere samarbejde med forskerhold for at kortlægge potentielle problemer iterativt, mens de samler offentlige meninger. Strategien ligner andre kontroversielle emner, som f.eks genetisk redigering hos mennesker.

En mini-hjernedrevet computer er år væk. "Det vil tage årtier, før vi når målet om noget, der kan sammenlignes med enhver type computer," sagde Hartung. Men det er tid til at starte – lancering af programmet, konsolidering af flere teknologier på tværs af felter og involvering i etiske diskussioner.

"I sidste ende sigter vi mod en revolution inden for biologisk databehandling, der kan overvinde mange af begrænsningerne ved siliciumbaseret databehandling og AI og have betydelige implikationer på verdensplan," sagde teamet.

Billede Credit: Jesse Plotkin/Johns Hopkins University

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://singularityhub.com/2023/03/07/biocomputing-with-mini-brains-as-processors-could-be-more-powerful-than-ai/