Bioračunalništvo z mini-možgani kot procesorji bi lahko bilo močnejše od umetne inteligence na osnovi silicija

Človeški možgani so mojster računanja. Ni čudno, da si znanstveniki od algoritmov, ki jih navdihujejo možgani, do nevromorfnih čipov izposojajo knjižico možganov, da bi dali zagon strojem.

Vendar rezultati – tako v programski kot v strojni opremi – zajamejo le delček računalniške zapletenosti, vgrajene v nevrone. Morda pa je glavna ovira pri gradnji računalnikov, podobnih možganom, to, da še vedno ne razumemo popolnoma, kako možgani delujejo. Na primer, kako njegova arhitektura – ki jo opredeljujejo vnaprej vzpostavljene plasti, regije in nenehno spreminjajoči se nevronski krogi – z visoko učinkovitostjo in nizko porabo energije daje smisel našemu kaotičnemu svetu?

Zakaj se torej ne bi izognili tej uganki in uporabili nevronskega tkiva neposredno kot bioračunalnik?

Ta mesec je ekipa z univerze Johns Hopkins postavil drzen načrt za novo področje računalništva: organoidno inteligenco (OI). Ne skrbite – ne govorijo o uporabi živega človeškega možganskega tkiva, priklopljenega na žice v kozarcih. Namesto tega je, kot v imenu, poudarek na nadomestku: možganski organoidi, bolj znani kot "mini-možgani". Ti nuggets v velikosti graha so približno podobni zgodnji plod človeški možgani v njihovem izražanju genov, široki paleti možganskih celic in organizaciji. Njihova nevronska vezja sprožijo spontano aktivnost, valovanje z možganskimi valovi, in lahko celo zazna svetlobo in nadzor gibanja mišic.

V bistvu so možganski organoidi visoko razviti procesorji, ki v omejeni meri podvajajo možgane. Teoretično bi lahko različne vrste mini možganov priključili na digitalne senzorje in izhodne naprave - ne v nasprotju z vmesniki možgani-stroj, ampak kot vezje zunaj telesa. Dolgoročno se lahko med seboj povežejo v super bioračunalniku, usposobljenem za uporabo biofeedbacka in metod strojnega učenja, da omogočijo »inteligenco v jedi«.

Se sliši malce grozljivo? Strinjam se. Znanstveniki so dolgo razpravljali, kje potegniti črto; to je, ko postanejo mini možgani preveč podobni človeškim, s hipotetičnim scenarijem nočne more, ko kepice razvijejo zavest.

Ekipa se dobro zaveda. Kot del organoidne inteligence poudarjajo potrebo po »vgrajeni etiki«, pri čemer konzorcij znanstvenikov, bioetikov in javnosti pretehta ves razvoj. Toda po mnenju starejšega avtorja dr. Thomasa Hartunga je čas za začetek raziskav organoidne inteligence zdaj.

"Biološko računalništvo (ali bioračunalništvo) bi lahko bilo hitrejše, učinkovitejše in zmogljivejše od računalništva na osnovi silicija in umetne inteligence ter bi zahtevalo le delček energije," je zapisala ekipa.

[Vgrajeni vsebina]

Pametna rešitev

Uporaba možganskega tkiva kot računalniške strojne opreme se morda zdi nenavadna, vendar so že bili pionirji. Leta 2022 je avstralsko podjetje Cortical Labs naučil na stotine tisoče izoliranih nevronov v krožniku igrati pong znotraj virtualnega okolja. Nevroni so se s silicijevimi čipi, ki jih poganjajo algoritmi globokega učenja, povezali v "platformo sintetične biološke inteligence", ki je zajela osnovne nevrobiološke znake učenja.

Tukaj je ekipa naredila idejo še korak dlje. Če izolirani nevroni že lahko podpirajo osnovno obliko bioračunalništva, kaj pa 3D mini-možgani?

Mini možgani so od svojega debija pred desetletjem postali priljubljeni pri preučevanju nevrorazvojnih motenj, kot je avtizem, in testiranju novih zdravil. Organoidi, ki jih pogosto gojijo iz pacientovih kožnih celic – pretvorjenih v inducirane pluripotentne matične celice (iPSC) – so še posebej močni za posnemanje človekovega genetskega sestava, vključno z njihovimi živčnimi povezavami. Nedavno človeški organoidi delno obnovljena poškodovan vid pri podganah po integraciji z njihovimi gostiteljskimi nevroni.

Z drugimi besedami, mini-možgani so že gradniki za bioračunalniški sistem plug-and-play, ki se zlahka poveže z biološkimi možgani. Zakaj jih torej ne bi uporabili kot procesorje za računalnik? "Vprašanje je: ali se lahko učimo in izkoristimo računalniško zmogljivost teh organoidov?" je vprašala ekipa.

Zajeten načrt

Lani se je skupina bioračunalniških strokovnjakov združila v prva delavnica organoidne inteligence v prizadevanju za oblikovanje skupnosti, ki se ukvarja z uporabo in posledicami mini možganov kot bioračunalnikov. Glavna tema, združena v »baltimorsko deklaracijo«, je bilo sodelovanje. Sistem mini možganov potrebuje več komponent: naprave za zaznavanje vhoda, procesor in berljiv izhod.

V novem dokumentu Hartung predvideva štiri poti za pospešitev organoidne inteligence.

Prvi se osredotoča na kritično komponento: mini možgane. Čeprav so organoidi gosto napolnjeni z možganskimi celicami, ki podpirajo učenje in spomin, jih je še vedno težko gojiti v velikem obsegu. Zgodnji ključni cilj, so pojasnili avtorji, je povečevanje.

Izboljšati je treba tudi mikrofluidne sisteme, ki delujejo kot »otroci«. Te visokotehnološke peneče kopeli zagotavljajo hranila in kisik, da ohranjajo žive in zdrave rastoče mini možgane, hkrati pa odstranjujejo strupene odpadke in jim dajejo čas za zorenje. Isti sistem lahko črpa tudi nevrotransmiterje – molekule, ki premostijo komunikacijo med nevroni – v določene regije, da spremenijo njihovo rast in vedenje.

Znanstveniki lahko nato spremljajo trajektorije rasti z uporabo različnih elektrod. Čeprav je večina trenutno prilagojenih za 2D-sisteme, se ekipa in drugi izboljšujejo s 3D-vmesniki, posebej zasnovanimi za organoide, ki jih navdihujejo pokrovčki EEG (elektroencefalogram) z več elektrodami, postavljenimi v sferično obliko.

Nato sledi dekodiranje signalov. Druga pot je namenjena dešifriranju, kdaj in kje je nevronska aktivnost znotraj mini možganov. Ali ob preklopu z določenimi električnimi vzorci – na primer s tistimi, ki spodbujajo nevrone k igri pong – dajejo pričakovane rezultate?

To je še ena težka naloga; učenje spreminja nevronske kroge na več ravneh. Kaj torej meriti? Ekipa predlaga kopanje na več ravneh, vključno s spremenjeno ekspresijo genov v nevronih in kako se povezujejo v nevronske mreže.

Tukaj lahko umetna inteligenca in sodelovanje naredita velik pečat. Biološke nevronske mreže so hrupne, zato je potrebnih več poskusov, preden "učenje" postane očitno - kar posledično ustvari poplavo podatkov. Za ekipo je strojno učenje popolno orodje za izločanje, kako se različni vhodi, ki jih obdelujejo mini možgani, pretvorijo v rezultate. Podobno kot obsežni nevroznanstveni projekti, kot je BRAIN pobuda, lahko znanstveniki delijo svoje raziskave organoidne inteligence v delovnem prostoru skupnosti za globalno sodelovanje.

Trajektorija tri je dlje v prihodnosti. Z učinkovitimi in dolgotrajnimi mini-možgani in merilnimi orodji v roki je mogoče preizkusiti bolj zapletene vnose in videti, kako se stimulacija vrne v biološki procesor. Na primer, ali je njegovo računanje učinkovitejše? Različne vrste organoidov – recimo tiste, ki spominjajo na skorjo in mrežnico – je mogoče med seboj povezati, da se zgradijo bolj zapletene oblike organoidne inteligence. Ti bi lahko pomagali "empirično testirati, raziskovati in nadalje razvijati nevroračunalniške teorije inteligence," so zapisali avtorji.

Inteligencija na zahtevo?

Četrta usmeritev je tista, ki poudarja celoten projekt: etika uporabe mini možganov za bioračunalništvo.

Ker so možganski organoidi vse bolj podobni možganom – tako zelo, da lahko integrirati in delno obnoviti poškodovan vidni sistem glodalca – znanstveniki se sprašujejo, ali lahko pridobijo nekakšno zavest.

Da smo jasni, ni dokazov, da so mini-možgani zavestni. Toda "ti pomisleki se bodo povečali med razvojem organoidne inteligence, ko postanejo organoidi strukturno bolj zapleteni, prejemajo vnose, ustvarjajo rezultate in - vsaj teoretično - obdelujejo informacije o svojem okolju in gradijo primitivni spomin," so povedali avtorji. Vendar cilj organoidne inteligence ni poustvariti človeško zavest – temveč je posnemati računalniške funkcije možganov.

Mini možganski procesor ni edini etični pomislek. Drugo je darovanje celic. Ker mini možgani ohranijo genetsko zasnovo svojega darovalca, obstaja možnost pristranskosti pri izbiri in omejitev nevrodiverzitete.

Potem je tu še problem informirane privolitve. Kot je pokazala zgodovina s slavno rakavo celično linijo celic HeLa, lahko darovanje celic vpliva na več generacij. "Kaj organoid razkriva o darovalcih celic?" so vprašali avtorji. Bodo raziskovalci dolžni obvestiti darovalca, če med raziskavo odkrijejo nevrološke motnje?

Za krmarjenje po »resnično neraziskanem ozemlju« ekipa predlaga vgrajen etični pristop. Na vsakem koraku bodo bioetiki sodelovali z raziskovalnimi skupinami, da bi iterativno začrtali morebitna vprašanja, medtem ko zbirajo javna mnenja. Strategija je podobna drugim kontroverznim temam, kot npr gensko urejanje pri ljudeh.

Mini računalnik, ki ga poganjajo možgani, je še leta stran. "Trajala bodo desetletja, preden bomo dosegli cilj nečesa, kar je primerljivo s katero koli vrsto računalnika," je dejal Hartung. Vendar je čas za začetek – zagon programa, združevanje več tehnologij na različnih področjih in sodelovanje v etičnih razpravah.

»Navsezadnje si prizadevamo za revolucijo v biološkem računalništvu, ki bi lahko presegla številne omejitve računalništva na osnovi silicija in umetne inteligence ter imela pomembne posledice po vsem svetu,« je dejala ekipa.

Kreditno slike: Jesse Plotkin/Univerza Johns Hopkins

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2023/03/07/biocomputing-with-mini-brains-as-processors-could-be-more-powerful-than-ai/