A mini-agyokkal mint processzorokkal való biocomputing erősebb lehet, mint a szilícium alapú mesterséges intelligencia

Az emberi agy a számítástechnika mestere. Nem csoda, hogy az agy által inspirált algoritmusoktól a neuromorf chipekig a tudósok az agy játékkönyvét kölcsönzik, hogy lendületet adjanak a gépeknek.

Az eredmények azonban – mind szoftveres, mind hardveresen – csak a töredékét ragadják meg neuronokba ágyazott számítási bonyodalmak. De talán az agyszerű számítógépek felépítésének fő akadálya az, hogy még mindig nem értjük teljesen az agy működését. Például, hogyan ad értelmet az előre meghatározott rétegek, régiók és folyamatosan változó idegi áramkörök által meghatározott architektúrája kaotikus világunknak nagy hatékonysággal és alacsony energiafelhasználással?

Tehát miért nem kerüli el ezt a rejtélyt, és használja az idegszövetet közvetlenül bioszámítógépként?

Ebben a hónapban a Johns Hopkins Egyetem csapata lefektetett egy merész tervrajzot a számítástechnika egy új területére: organoid intelligencia (OI). Ne aggódjon – nem arról beszélnek, hogy élő emberi agyszövetet használnak a vezetékekhez tégelyekben. Inkább, mint a névben, a hangsúly egy helyettesítőn van: az agyi organoidokon, ismertebb nevén „mini-agyokon”. Ezek a borsó nagyságú rögök nagyjából hasonlítanak a korai magzat az emberi agy génexpressziójában, sokféle agysejtekben és szervezetben. Neurális áramköreik spontán aktivitással szikráznak, hullámzik az agyhullámoktól, és akár fény- és szabályozza az izommozgást.

Lényegében az agyi organoidok magasan fejlett processzorok, amelyek korlátozott mértékben másolják az agyat. Elméletileg különböző típusú miniagyak csatlakoztathatók digitális érzékelőkhöz és kimeneti eszközökhöz – nem az agy-gép interfészekkel ellentétben, hanem a testen kívüli áramkörként. Hosszú távon kapcsolódhatnak egymáshoz egy szuper bioszámítógépben, amelyet biofeedback és gépi tanulási módszerek alkalmazásával képeztek ki, hogy lehetővé tegyék az „intelligenciát az edényben”.

Kicsit hátborzongatóan hangzik? Egyetértek. A tudósok régóta vitatkoznak, hol húzzák meg a határt; vagyis amikor a miniagy túlságosan hasonlít egy emberi agyhoz, a feltételezett rémálom forgatókönyvével, amikor a rögök tudatot fejlesztenek.

A csapat jól tudja. Az organoid intelligencia részeként rávilágítanak a „beágyazott etika” szükségességére, ahol a tudósokból, bioetikusokból és a közvéleményből álló konzorcium végigkíséri a fejlesztést. De Dr. Thomas Hartung vezető szerző szerint most jött el az ideje az organoid intelligenciakutatás elindításának.

"A biológiai számítástechnika (vagy biocomputing) gyorsabb, hatékonyabb és erősebb lehet, mint a szilícium alapú számítástechnika és az AI, és csak az energia töredékét igényelné" - írta a csapat.

[Beágyazott tartalmat]

Egy okos megoldás

Az agyszövet számítási hardverként való használata bizarrnak tűnhet, de korábban is voltak úttörők. 2022-ben az ausztrál cég Cortical Labs több százezer izolált idegsejteket tanított meg egy edényben pongozni virtuális környezetben. A mélytanulási algoritmusok által működtetett szilícium chipekkel összekapcsolt neuronok „szintetikus biológiai intelligencia platformmá” kapcsolódtak össze, amely megragadta a tanulás alapvető neurobiológiai jeleit.

Itt a csapat egy lépéssel tovább vitte az ötletet. Ha az izolált neuronok már támogathatnák a bioszámítás egy kezdetleges formáját, mi a helyzet a 3D miniagyokkal?

Egy évtizeddel ezelőtti debütálásuk óta a miniagyak kedvenceivé váltak az idegrendszeri fejlődési rendellenességek, például az autizmus vizsgálatában és az új gyógyszeres kezelések tesztelésében. Gyakran a páciens bőrsejtjéből nőnek ki – indukált pluripotens őssejtekké (iPSC-k) alakulnak át –, az organoidok különösen erősek a személy genetikai felépítésének utánzására, beleértve az idegi huzalozást is. Újabban az emberi organoidok részben helyreállították károsodott látás patkányokban, miután integrálódtak gazdasejtjeikkel.

Más szóval, a miniagyak már építőkövei egy olyan plug-and-play bioszámítógép-rendszernek, amely könnyen kapcsolódik a biológiai agyhoz. Tehát miért ne használhatná fel őket számítógép processzoraként? „A kérdés az: tanulhatunk-e ezekből az organoidokból, és kihasználhatjuk-e a számítási kapacitást?” – kérdezte a csapat.

Izmos tervrajz

Tavaly a bioszámítástechnikai szakértők egy csoportja egyesült a első organoid intelligencia műhely egy olyan közösség kialakítása érdekében, amely a mini-agyak bioszámítógépként való felhasználásával és következményeivel foglalkozik. A „Baltimore-i nyilatkozatba” foglalt átfogó téma az együttműködés volt. A mini-agyrendszernek több összetevőre van szüksége: a bemenetet észlelő eszközökre, a processzorra és az olvasható kimenetre.

Az új cikkben Hartung négy pályát képzel el az organoid intelligencia felgyorsítására.

Az első a kritikus összetevőre összpontosít: a mini-agyra. Bár sűrűn tele vannak a tanulást és a memóriát támogató agysejtekkel, az organoidokat még mindig nehéz nagy léptékben tenyészteni. A szerzők elmondták, hogy a korai kulcsfontosságú cél a méretnövelés.

A mikrofluidikus rendszereket, amelyek „óvodaként” működnek, szintén fejleszteni kell. Ezek a csúcstechnológiás habfürdők tápanyagot és oxigént biztosítanak, hogy életben és egészségesen tartsák a virágzó miniagyakat, miközben eltávolítják a mérgező hulladékot, és időt adnak nekik az érésre. Ugyanez a rendszer képes neurotranszmittereket is pumpálni – a neuronok közötti kommunikációt áthidaló molekulákat – meghatározott régiókba, hogy módosítsa növekedésüket és viselkedésüket.

A tudósok ezután különféle elektródák segítségével nyomon követhetik a növekedési pályákat. Bár a legtöbbet jelenleg 2D-s rendszerekre szabták, a csapat és mások a kifejezetten organoidokhoz tervezett 3D-s interfészekkel lépnek fel, amelyeket az EEG (elektroencefalogram) sapkák ihlettek, és több elektródát helyeztek el gömb alakban.

Ezután jön a jelek dekódolása. A második pálya arról szól, hogy megfejtsük a mini-agyban zajló idegi tevékenység mikor és hol. Ha bizonyos elektromos mintákkal – például olyanokkal, amelyek a neuronokat pongozásra ösztönzik –, a várt eredményeket adják?

Ez egy másik nehéz feladat; a tanulás több szinten megváltoztatja az idegi áramköröket. Szóval mit kell mérni? A csapat azt javasolja, hogy több szintre ássunk bele, beleértve a megváltozott génexpressziót az idegsejtekben, és azt, hogy ezek hogyan kapcsolódnak be a neurális hálózatokhoz.

Itt tud feltűnést kelteni az AI és az együttműködés. A biológiai neurális hálózatok zajosak, ezért többszöri próbára van szükség, mielőtt a „tanulás” nyilvánvalóvá válik – ami viszont adatözönt generál. A csapat számára a gépi tanulás tökéletes eszköz annak kivonására, hogy a mini-agy által feldolgozott különböző bemenetek hogyan alakulnak kimenetekké. Hasonlóan az olyan nagyszabású idegtudományi projektekhez, mint a BRAIN kezdeményezés, a tudósok megoszthatják organoid intelligencia kutatásaikat egy közösségi munkaterületen globális együttműködések érdekében.

A harmadik pálya távolabbi a jövőben. Hatékony és hosszú élettartamú mini-agyokkal és mérőeszközökkel a kezében lehetőség nyílik bonyolultabb bemenetek tesztelésére, és megnézni, hogyan jut vissza a stimuláció a biológiai processzorba. Például hatékonyabbá teszi a számítását? Különböző típusú organoidok – mondjuk azok, amelyek a kéreghez és a retinához hasonlítanak – összekapcsolhatók az organoid intelligencia összetettebb formáinak kialakítása érdekében. Ezek segíthetnek „az intelligencia neurokomputációs elméleteinek empirikus tesztelésében, feltárásában és továbbfejlesztésében” – írták a szerzők.

Igény szerinti intelligencia?

A negyedik pálya az, amely az egész projektet aláhúzza: a mini-agyak bioszámítási célokra való használatának etikája.

Ahogy az agyi organoidok egyre jobban hasonlítanak az agyra – olyannyira, hogy képesek integrálni és részben visszaállítani egy rágcsáló megsérült látórendszere – a tudósok azt kérdezik, vajon sikerül-e valamiféle tudatosságot szerezniük.

Az egyértelműség kedvéért nincs bizonyíték arra, hogy a miniagyok tudatosak lennének. De „ezek az aggodalmak az organoid intelligencia fejlődése során erősödni fognak, mivel az organoidok szerkezetileg bonyolultabbá válnak, bemeneteket kapnak, kimeneteket generálnak, és – legalábbis elméletileg – feldolgozzák a környezetükkel kapcsolatos információkat, és primitív memóriát építenek fel” – mondták a szerzők. Az organoid intelligencia célja azonban nem az emberi tudat újrateremtése, hanem az agy számítási funkcióinak utánzása.

A mini-agy processzor aligha az egyetlen etikai aggály. A másik a sejtadományozás. Mivel a miniagyok megtartják donoruk genetikai felépítését, fennáll a szelekciós torzítás lehetősége és a neurodiverzitás korlátozása.

Aztán ott van a tájékozott beleegyezés problémája. Amint azt a híres rákos sejtvonallal, a HeLa-sejtekkel kapcsolatos történelem is megmutatta, a sejtadományozás több generációra is hatással lehet. – Mit mutat az organoid a sejtdonorról? – kérdezték a szerzők. Kötelesek-e a kutatók tájékoztatni a donort, ha neurológiai rendellenességeket fedeznek fel kutatásuk során?

Az „igazán feltérképezetlen területen” való navigáláshoz a csapat beágyazott etikai megközelítést javasol. A bioetikusok minden lépésben együttműködnek kutatócsoportokkal, hogy iteratív módon feltérképezzék a lehetséges problémákat, miközben összegyűjtik a közvéleményt. A stratégia hasonló más vitatott témákhoz, mint pl genetikai szerkesztés emberekben.

Egy mini-agy-meghajtású számítógép évekre van hátra. „Évtizedekbe fog telni, mire elérjük azt a célt, hogy valami hasonlót hozzunk létre, mint bármely számítógéptípus” – mondta Hartung. De itt az ideje elkezdeni – elindítani a programot, több technológiát egyesíteni a különböző területeken, és etikai vitákat folytatni.

"Végső soron egy olyan forradalom felé törekszünk a biológiai számítástechnikában, amely leküzdheti a szilícium-alapú számítástechnika és a mesterséges intelligencia számos korlátját, és világszerte jelentős következményekkel járna" - mondta a csapat.

Kép: Jesse Plotkin/Johns Hopkins Egyetem

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://singularityhub.com/2023/03/07/biocomputing-with-mini-brains-as-processors-could-be-more-powerful-than-ai/