미니 브레인을 프로세서로 사용하는 바이오컴퓨팅은 실리콘 기반 AI보다 더 강력할 수 있습니다.

인간의 두뇌는 계산의 대가입니다. 뇌에서 영감을 받은 알고리즘에서 신경모형 칩에 이르기까지 과학자들이 기계에 활력을 주기 위해 뇌의 플레이북을 빌리고 있는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

그러나 소프트웨어와 하드웨어 모두에서 결과는 일부만 캡처합니다. 뉴런에 내장된 계산상의 복잡성. 그러나 아마도 두뇌와 유사한 컴퓨터를 구축하는 데 있어 주요 장애물은 두뇌가 작동하는 방식을 완전히 이해하지 못한다는 것입니다. 예를 들어, 사전 설정된 계층, 영역 및 끊임없이 변화하는 신경 회로로 정의되는 아키텍처는 높은 효율성과 낮은 에너지 사용으로 혼란스러운 세상을 어떻게 이해합니까?

그렇다면 이 난제를 피하고 신경 조직을 바이오컴퓨터로 직접 사용하지 않는 이유는 무엇입니까?

이번 달 존스 홉킨스 대학의 팀 대담한 청사진을 내놓았다 컴퓨팅의 새로운 분야: 오가노이드 지능(OI). 걱정하지 마세요. 항아리에 담긴 전선에 연결된 살아있는 인간의 뇌 조직을 사용하는 것에 대해 말하는 것이 아닙니다. 오히려 이름에서 알 수 있듯이 "미니 브레인"으로 더 잘 알려진 뇌 오가노이드라는 대체물에 초점이 맞춰져 있습니다. 이 완두콩 크기의 너겟은 초기 태아 유전자 발현, 다양한 뇌 세포 및 조직에서 인간의 뇌. 그들의 신경 회로는 자발적인 활동으로 촉발되며, 뇌파로 물결, 심지어 빛을 감지할 수 있으며 근육 운동 제어.

본질적으로 뇌 오가노이드는 제한된 정도로 뇌를 복제하는 고도로 발달된 프로세서입니다. 이론적으로 다양한 유형의 미니 브레인이 디지털 센서 및 출력 장치에 연결될 수 있습니다. 뇌-기계 인터페이스와 다르지 않지만 신체 외부의 회로입니다. 장기적으로 그들은 "접시 속의 지능"을 가능하게 하기 위해 바이오 피드백과 기계 학습 방법을 사용하여 훈련된 슈퍼 바이오 컴퓨터에서 서로 연결될 수 있습니다.

약간 오싹하게 들리나요? 나는 동의한다. 과학자들은 어디에 선을 그을지 오랫동안 토론해 왔습니다. 즉, 작은 뇌가 인간의 뇌와 너무 비슷해지면 너겟이 의식을 발전시키는 가상의 악몽 시나리오가 발생합니다.

팀은 잘 알고 있습니다. 오가노이드 지능의 일부로서 그들은 과학자, 생명 윤리학자 및 대중의 컨소시엄과 함께 개발 전반에 걸쳐 "내장된 윤리"의 필요성을 강조합니다. 그러나 수석 저자인 Thomas Hartung 박사는 오가노이드 지능 연구를 시작할 때가 바로 지금이라고 말합니다.

"생물학적 컴퓨팅(또는 바이오 컴퓨팅)은 실리콘 기반 컴퓨팅 및 AI보다 빠르고 효율적이며 강력할 수 있으며 에너지의 일부만 필요합니다."라고 팀은 썼습니다.

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영리한 솔루션

뇌 조직을 계산 하드웨어로 사용하는 것이 이상하게 보일 수 있지만 이전에도 선구자가 있었습니다. 2022년 호주 기업 피질 연구실 접시에 있는 수십만 개의 고립된 뉴런을 가르쳤습니다. 탁구를 재생하려면 가상 환경 내부. 딥 러닝 알고리즘으로 구동되는 실리콘 칩과 연결된 뉴런은 학습의 기본적인 신경 생물학적 징후를 포착하는 "합성 생물학적 지능 플랫폼"으로 연결됩니다.

여기에서 팀은 아이디어를 한 단계 더 발전시켰습니다. 고립된 뉴런이 이미 기본적인 형태의 바이오컴퓨팅을 지원할 수 있다면 3D 미니 브레인은 어떨까요?

XNUMX년 전 데뷔한 이후 미니 브레인은 자폐증과 같은 신경 발달 장애를 검사하고 새로운 약물 치료를 테스트하는 데 사랑받는 대상이 되었습니다. 종종 환자의 피부 세포에서 성장하여 유도 만능 줄기 세포(iPSC)로 변형된 오가노이드는 신경 배선을 포함하여 사람의 유전적 구성을 모방하는 데 특히 강력합니다. 최근에는 인간 오가노이드 부분적으로 복원 숙주 뉴런과 통합한 후 쥐의 시력 손상.

즉, 미니 두뇌는 이미 생물학적 두뇌와 쉽게 연결되는 플러그 앤 플레이 바이오컴퓨팅 시스템의 구성 요소입니다. 그렇다면 컴퓨터의 프로세서로 활용하지 않겠습니까? "문제는 우리가 이러한 오가노이드의 컴퓨팅 능력을 배우고 활용할 수 있는가 하는 것입니다." 팀이 물었다.

무거운 청사진

작년에 바이오컴퓨팅 전문가 그룹이 최초의 오가노이드 지능 워크숍 바이오 컴퓨터로서의 미니 브레인의 사용과 의미를 다루는 커뮤니티를 형성하려는 노력의 일환입니다. "볼티모어 선언"으로 통합된 가장 중요한 주제는 협업이었습니다. 미니 브레인 시스템에는 입력을 감지하는 장치, 프로세서 및 읽을 수 있는 출력과 같은 여러 구성 요소가 필요합니다.

새로운 논문에서 Hartung은 오가노이드 지능을 가속화하기 위한 네 가지 궤적을 구상합니다.

첫 번째는 중요한 구성 요소인 미니 브레인에 초점을 맞춥니다. 학습과 기억을 지원하는 뇌 세포가 밀집되어 있지만 오가노이드는 여전히 대규모 배양이 어렵습니다. 저자들에 따르면 초기 핵심 목표는 규모를 확장하는 것입니다.

보육원 역할을 하는 미세 유체 시스템도 개선해야 합니다. 이 하이테크 거품 목욕은 영양분과 산소를 ​​제공하여 싹트고 있는 미니 두뇌를 살아 있고 건강하게 유지하는 동시에 독성 폐기물을 제거하여 성숙할 시간을 줍니다. 동일한 시스템은 또한 신경 전달 물질(뉴런 간의 통신을 연결하는 분자)을 특정 영역으로 펌핑하여 성장과 행동을 수정할 수 있습니다.

그런 다음 과학자들은 다양한 전극을 사용하여 성장 궤적을 모니터링할 수 있습니다. 대부분이 현재 2D 시스템에 맞춰져 있지만 팀과 다른 사람들은 구형 모양으로 배치된 여러 전극이 있는 EEG(뇌파도) 캡에서 영감을 받아 오가노이드용으로 특별히 설계된 3D 인터페이스로 레벨을 올리고 있습니다.

그런 다음 신호를 해독합니다. 두 번째 궤적은 미니 브레인 내부의 신경 활동이 언제 어디서 발생하는지 해독하는 것입니다. 특정 전기적 패턴(예: 뉴런이 퐁을 재생하도록 장려하는 패턴)을 사용하면 예상한 결과가 출력됩니까?

또 다른 어려운 작업입니다. 학습은 여러 수준에서 신경 회로를 변경합니다. 그럼 무엇을 측정해야 할까요? 연구팀은 뉴런의 변형된 유전자 발현과 이들이 신경망에 연결되는 방식을 포함하여 여러 수준으로 파고들 것을 제안합니다.

여기에서 AI와 협업이 빛을 발할 수 있습니다. 생물학적 신경망은 시끄럽기 때문에 "학습"이 명백해지기 전에 여러 번의 시도가 필요하며 결과적으로 엄청난 양의 데이터가 생성됩니다. 팀에게 기계 학습은 미니 브레인이 처리한 다양한 입력이 출력으로 변환되는 방식을 추출하는 완벽한 도구입니다. 다음과 같은 대규모 신경과학 프로젝트와 유사합니다. 브레인 이니셔티브, 과학자들은 글로벌 협업을 위해 커뮤니티 작업 공간에서 오가노이드 지능 연구를 공유할 수 있습니다.

궤적 XNUMX은 더 먼 미래에 있습니다. 효율적이고 오래 지속되는 미니 브레인과 측정 도구를 손에 들고 있으면 더 복잡한 입력을 테스트하고 자극이 어떻게 생물학적 프로세서로 피드백되는지 확인할 수 있습니다. 예를 들어 계산을 더 효율적으로 만드는가? 서로 다른 유형의 오가노이드(예: 피질 및 망막과 유사한 오가노이드)를 상호 연결하여 더 복잡한 형태의 오가노이드 지능을 구축할 수 있습니다. 이들은 "신경계산 지능 이론을 경험적으로 테스트, 탐색 및 추가 개발"하는 데 도움이 될 수 있다고 저자는 썼습니다.

주문형 인텔리전스?

네 번째 궤적은 전체 프로젝트의 밑줄을 긋는 것입니다. 즉, 바이오컴퓨팅을 위해 미니 두뇌를 사용하는 윤리입니다.

뇌 오가노이드가 점점 더 뇌와 닮아감에 따라 통합 및 부분 복원 설치류의 손상된 시각 시스템—과학자들은 그들이 일종의 인식을 얻을 수 있는지 묻고 있습니다.

분명히 말하면 미니 브레인이 의식이 있다는 증거는 없습니다. 그러나 "오가노이드가 구조적으로 더 복잡해지고, 입력을 받고, 출력을 생성하고, 적어도 이론적으로는 환경에 대한 정보를 처리하고 원시 기억을 구축함에 따라 오가노이드 지능이 개발되는 동안 이러한 우려가 높아질 것"이라고 저자는 말했습니다. 그러나 오가노이드 지능의 목표는 인간의 의식을 재현하는 것이 아니라 뇌의 계산 기능을 모방하는 것입니다.

미니 브레인 프로세서는 유일한 윤리적 문제가 아닙니다. 다른 하나는 세포 기증입니다. 미니 뇌는 기증자의 유전적 구성을 유지하기 때문에 선택 편향의 가능성과 신경 다양성에 대한 제한이 있습니다.

그런 다음 정보에 입각한 동의 문제가 있습니다. 유명한 암 세포주인 HeLa 세포의 역사가 보여주듯이, 세포 기증은 여러 세대에 걸쳐 영향을 미칠 수 있습니다. "오가노이드는 세포 기증자에 대해 무엇을 보여줍니까?" 저자가 물었다. 연구자는 연구 중에 신경 장애를 발견한 경우 기증자에게 알려야 할 의무가 있습니까?

"진정으로 미지의 영역"을 탐색하기 위해 팀은 내재된 윤리적 접근 방식을 제안합니다. 각 단계에서 생명윤리학자는 연구팀과 협력하여 대중의 의견을 수렴하면서 잠재적인 문제를 반복적으로 파악합니다. 이 전략은 다음과 같은 다른 논쟁적인 주제와 유사합니다. 인간의 유전자 편집.

작은 두뇌로 구동되는 컴퓨터는 몇 년 떨어져 있습니다. Hartung은 "어떤 유형의 컴퓨터와도 견줄만한 목표를 달성하려면 수십 년이 걸릴 것"이라고 말했습니다. 하지만 이제는 시작해야 할 때입니다. 프로그램을 시작하고, 여러 분야의 여러 기술을 통합하고, 윤리적 논의에 참여해야 합니다.

"궁극적으로 우리는 실리콘 기반 컴퓨팅 및 AI의 많은 한계를 극복하고 전 세계적으로 상당한 영향을 미칠 수 있는 생물학적 컴퓨팅의 혁명을 목표로 합니다."라고 팀은 말했습니다.

이미지 신용 : 제시 플롯킨(Jesse Plotkin)/존스홉킨스대학교

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• 출처: https://singularityhub.com/2023/03/07/biocomputing-with-mini-brains-as-processors-could-be-more-powerful-than-ai/