Biocomputing met mini-hersenen als processors zou krachtiger kunnen zijn dan op silicium gebaseerde AI

Het menselijk brein is een meester in rekenen. Het is geen wonder dat wetenschappers, van door de hersenen geïnspireerde algoritmen tot neuromorfe chips, het draaiboek van de hersenen lenen om machines een boost te geven.

Toch vangen de resultaten - zowel software als hardware - slechts een fractie van de computationele ingewikkeldheden ingebed in neuronen. Maar misschien is de grootste belemmering bij het bouwen van hersenachtige computers dat we nog steeds niet volledig begrijpen hoe de hersenen werken. Hoe geeft de architectuur, gedefinieerd door vooraf vastgestelde lagen, regio's en steeds veranderende neurale circuits, bijvoorbeeld betekenis aan onze chaotische wereld met hoge efficiëntie en laag energieverbruik?

Dus waarom zou u dit raadsel niet omzeilen en neuraal weefsel rechtstreeks als biocomputer gebruiken?

Deze maand een team van de Johns Hopkins University legde een gedurfde blauwdruk neer voor een nieuw computergebied: organoid intelligence (OI). Maak je geen zorgen - ze hebben het niet over het gebruik van levend menselijk hersenweefsel dat is aangesloten op draden in potten. Integendeel, zoals de naam zegt, ligt de focus op een surrogaat: hersenorganoïden, beter bekend als 'mini-hersenen'. Deze nuggets ter grootte van een erwt lijken ongeveer op de vroege foetus menselijk brein in hun genexpressie, grote verscheidenheid aan hersencellen en organisatie. Hun neurale circuits vonken van spontane activiteit, rimpel met hersengolven, en kan zelfs licht detecteren en spierbewegingen controleren.

Hersenorganoïden zijn in wezen hoogontwikkelde processors die de hersenen in beperkte mate dupliceren. Theoretisch zouden verschillende soorten mini-hersenen kunnen worden aangesloten op digitale sensoren en uitvoerapparaten - vergelijkbaar met hersen-machine-interfaces, maar als een circuit buiten het lichaam. Op de lange termijn kunnen ze met elkaar worden verbonden in een superbiocomputer die is getraind met behulp van biofeedback en machine learning-methoden om 'intelligentie in een gerecht' mogelijk te maken.

Klinkt een beetje griezelig? Daar ben ik het mee eens. Wetenschappers hebben lang gedebatteerd over waar ze de grens moesten trekken; dat wil zeggen, wanneer het minibrein te veel op een menselijk brein gaat lijken, met het hypothetische nachtmerriescenario van de goudklompjes die bewustzijn ontwikkelen.

Het team is goed op de hoogte. Als onderdeel van organoïde-intelligentie benadrukken ze de behoefte aan 'ingebedde ethiek', waarbij een consortium van wetenschappers, bio-ethici en het publiek meeweegt tijdens de ontwikkeling. Maar voor senior auteur Dr. Thomas Hartung is het nu tijd om onderzoek te doen naar organoïde-intelligentie.

"Biologische computing (of biocomputing) zou sneller, efficiënter en krachtiger kunnen zijn dan op silicium gebaseerde computing en AI, en slechts een fractie van de energie vereisen", schreef het team.

[Ingesloten inhoud]

Een slimme oplossing

Hersenweefsel gebruiken als computerhardware lijkt misschien bizar, maar er zijn eerdere pioniers geweest. In 2022, het Australische bedrijf Corticale Labs leerde honderdduizenden geïsoleerde neuronen in een schaal Pong spelen binnen een virtuele omgeving. De neuronen verbonden met siliciumchips aangedreven door deep learning-algoritmen tot een "synthetisch biologisch intelligentieplatform" dat fundamentele neurobiologische tekenen van leren vastlegde.

Hier ging het team een ​​stap verder met het idee. Als geïsoleerde neuronen al een rudimentaire vorm van biocomputing zouden kunnen ondersteunen, hoe zit het dan met 3D-minihersenen?

Sinds hun debuut tien jaar geleden zijn mini-hersenen schatjes geworden voor het onderzoeken van neurologische ontwikkelingsstoornissen zoals autisme en het testen van nieuwe medicamenteuze behandelingen. Vaak gegroeid uit de huidcellen van een patiënt - getransformeerd in geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's) - zijn de organoïden bijzonder krachtig voor het nabootsen van de genetische samenstelling van een persoon, inclusief hun neurale bedrading. Meer recent, menselijke organoïden gedeeltelijk gerestaureerd beschadigd zicht bij ratten na integratie met hun gastheerneuronen.

Met andere woorden, mini-hersenen zijn al bouwstenen voor een plug-and-play biocomputersysteem dat gemakkelijk verbinding maakt met biologische hersenen. Dus waarom zou u ze niet gebruiken als processors voor een computer? "De vraag is: kunnen we leren van en gebruikmaken van de rekencapaciteit van deze organoïden?" vroeg het team.

Een forse blauwdruk

Vorig jaar verenigde een groep biocomputing-experts zich in de eerste workshop organoïde intelligentie in een poging een gemeenschap te vormen die het gebruik en de implicaties van mini-hersenen als biocomputers aanpakt. Het overkoepelende thema, geconsolideerd in 'de Baltimore-verklaring', was samenwerking. Een mini-hersensysteem heeft verschillende componenten nodig: apparaten om invoer te detecteren, de processor en een leesbare uitvoer.

In het nieuwe artikel voorziet Hartung vier trajecten om organoïde intelligentie te versnellen.

De eerste richt zich op de kritieke component: het minibrein. Hoewel ze dicht opeengepakt zitten met hersencellen die leren en geheugen ondersteunen, zijn organoïden nog steeds moeilijk op grote schaal te kweken. Een vroeg belangrijk doel, legden de auteurs uit, is opschaling.

Microfluïdische systemen, die fungeren als "kinderkamers", moeten ook worden verbeterd. Deze hightech bubbelbaden leveren voedingsstoffen en zuurstof om ontluikende minihersenen levend en gezond te houden terwijl ze giftig afval verwijderen, waardoor ze de tijd krijgen om te rijpen. Hetzelfde systeem kan ook neurotransmitters - moleculen die de communicatie tussen neuronen overbruggen - naar specifieke regio's pompen om hun groei en gedrag te wijzigen.

Wetenschappers kunnen vervolgens groeitrajecten volgen met behulp van verschillende elektroden. Hoewel de meeste momenteel op maat zijn gemaakt voor 2D-systemen, komen het team en anderen op een hoger niveau met 3D-interfaces die speciaal zijn ontworpen voor organoïden, geïnspireerd door EEG-kappen (elektro-encefalogram) met meerdere elektroden die in een bolvorm zijn geplaatst.

Dan komt het decoderen van signalen. Het tweede traject gaat helemaal over het ontcijferen van het wanneer en waar van neurale activiteit in de minihersenen. Wanneer ze worden gezapt met bepaalde elektrische patronen, bijvoorbeeld die welke de neuronen aanmoedigen om Pong te spelen, leveren ze dan de verwachte resultaten op?

Het is weer een moeilijke taak; leren verandert neurale circuits op meerdere niveaus. Dus wat te meten? Het team stelt voor om op meerdere niveaus te graven, waaronder veranderde genexpressie in neuronen en hoe ze verbinding maken met neurale netwerken.

Hier kunnen AI en samenwerking een schot in de roos zijn. Biologische neurale netwerken zijn lawaaierig, dus er zijn meerdere proeven nodig voordat 'leren' duidelijk wordt, wat op zijn beurt een stortvloed aan gegevens genereert. Voor het team is machine learning de perfecte tool om te extraheren hoe verschillende inputs, verwerkt door het minibrein, transformeren in outputs. Vergelijkbaar met grootschalige neurowetenschappelijke projecten zoals de BRAIN-initiatief, kunnen wetenschappers hun onderzoek naar organoïde-intelligentie delen in een gemeenschappelijke werkruimte voor wereldwijde samenwerkingen.

Traject drie ligt verder in de toekomst. Met efficiënte en duurzame mini-hersenen en meetinstrumenten in de hand, is het mogelijk om complexere invoer te testen en te zien hoe de stimulatie wordt teruggevoerd naar de biologische processor. Maakt het de berekening bijvoorbeeld efficiënter? Verschillende soorten organoïden, bijvoorbeeld die op de cortex en het netvlies lijken, kunnen met elkaar worden verbonden om complexere vormen van organoïde intelligentie te bouwen. Deze zouden kunnen helpen "neurocomputationele theorieën over intelligentie empirisch te testen, te onderzoeken en verder te ontwikkelen", schreven de auteurs.

Intelligentie op aanvraag?

Het vierde traject is het traject dat het hele project onderstreept: de ethiek van het gebruik van mini-brains voor biocomputing.

Omdat hersenorganoïden steeds meer op de hersenen lijken - zozeer zelfs dat ze dat kunnen integreren en gedeeltelijk herstellen het beschadigde visuele systeem van een knaagdier - wetenschappers vragen zich af of ze een soort bewustzijn kunnen krijgen.

Voor alle duidelijkheid: er is geen bewijs dat mini-hersenen bij bewustzijn zijn. Maar "deze zorgen zullen toenemen tijdens de ontwikkeling van organoïde-intelligentie, naarmate de organoïden structureel complexer worden, input ontvangen, output genereren en - althans theoretisch - informatie over hun omgeving verwerken en een primitief geheugen opbouwen", aldus de auteurs. Het doel van organoïde intelligentie is echter niet om het menselijk bewustzijn te herscheppen, maar om de computerfuncties van de hersenen na te bootsen.

De mini-hersenprocessor is niet de enige ethische zorg. Een andere is celdonatie. Omdat minihersenen de genetische samenstelling van hun donor behouden, bestaat de kans op selectiebias en beperking van de neurodiversiteit.

Dan is er het probleem van geïnformeerde toestemming. Zoals de geschiedenis met de beroemde kankercellijn HeLa-cellen heeft aangetoond, kan celdonatie gevolgen hebben voor meerdere generaties. "Wat vertoont de organoïde over de celdonor?" vroegen de auteurs. Moeten onderzoekers de donor informeren als ze tijdens hun onderzoek neurologische aandoeningen ontdekken?

Om door het 'werkelijk onbekende gebied' te navigeren, stelt het team een ​​ingebedde ethische benadering voor. Bij elke stap zullen bio-ethici samenwerken met onderzoeksteams om potentiële problemen iteratief in kaart te brengen terwijl ze de publieke opinie verzamelen. De strategie is vergelijkbaar met andere controversiële onderwerpen, zoals genetische bewerking bij mensen.

Een mini-brein-aangedreven computer is jaren weg. "Het zal tientallen jaren duren voordat we het doel bereiken van iets dat vergelijkbaar is met welk type computer dan ook", zei Hartung. Maar het is tijd om te beginnen: het programma lanceren, meerdere technologieën op verschillende gebieden consolideren en ethische discussies aangaan.

"Uiteindelijk streven we naar een revolutie in biologische computers die veel van de beperkingen van op silicium gebaseerde computers en AI zou kunnen overwinnen en wereldwijd aanzienlijke implicaties kan hebben", aldus het team.

Krediet van het beeld: Jesse Plotkin/Johns Hopkins Universiteit

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/03/07/biocomputing-with-mini-brains-as-processors-could-be-more-powerful-than-ai/