Biodatorer med minihjärnor som processorer kan vara mer kraftfulla än kiselbaserad AI

Den mänskliga hjärnan är en mästare på beräkningar. Det är inte konstigt att forskare lånar hjärnans spelbok för att ge maskiner ett uppsving, från hjärninspirerade algoritmer till neuromorfa chips.

Ändå fångar resultaten - i både mjukvara och hårdvara - bara en bråkdel av beräkningskompetenser inbäddade i neuroner. Men kanske den stora vägspärren för att bygga hjärnliknande datorer är att vi fortfarande inte helt förstår hur hjärnan fungerar. Hur kan till exempel dess arkitektur – definierad av företablerade skikt, regioner och ständigt föränderliga neurala kretsar – förstå vår kaotiska värld med hög effektivitet och låg energianvändning?

Så varför inte kringgå denna gåta och använda neural vävnad direkt som en biodator?

Denna månad, ett team från Johns Hopkins University lagt fram en vågad plan för ett nytt datorområde: organoid intelligens (OI). Oroa dig inte – de pratar inte om att använda levande mänsklig hjärnvävnad ansluten till ledningar i burkar. Snarare, som i namnet, ligger fokus på ett surrogat: hjärnorganoider, mer kända som "minihjärnor". Dessa ärtstora nuggets liknar ungefär tidigt foster mänskliga hjärnan i deras genuttryck, många olika hjärnceller och organisation. Deras neurala kretsar tänder med spontan aktivitet, krusning av hjärnvågor, och kan till och med upptäcka ljus och kontrollera muskelrörelser.

I huvudsak är hjärnorganoider högt utvecklade processorer som duplicerar hjärnan i begränsad omfattning. Teoretiskt sett kan olika typer av minihjärnor anslutas till digitala sensorer och utgångsenheter - inte till skillnad från hjärn-maskin-gränssnitt, utan som en krets utanför kroppen. På lång sikt kan de ansluta till varandra i en superbiodator som tränas med hjälp av biofeedback och maskininlärningsmetoder för att möjliggöra "intelligens i en maträtt."

Låter det lite läskigt? Jag håller med. Forskare har länge diskuterat var man ska dra gränsen; det vill säga när minihjärnan blir för lik en mänsklig, med det hypotetiska mardrömsscenariot att nuggets utvecklar medvetande.

Teamet är väl medvetet. Som en del av organoid intelligens lyfter de fram behovet av "inbäddad etik", med ett konsortium av forskare, bioetiker och allmänheten som väger in under utvecklingen. Men för seniorförfattaren Dr. Thomas Hartung är det dags att lansera organoid intelligensforskning nu.

"Biologisk datoranvändning (eller biodator) kan vara snabbare, effektivare och kraftfullare än kiselbaserad datoranvändning och AI, och kräver bara en bråkdel av energin", skrev teamet.

[Inbäddat innehåll]

En brainy lösning

Att använda hjärnvävnad som beräkningshårdvara kan verka bisarrt, men det har funnits tidigare pionjärer. År 2022, det australiensiska företaget Cortical Labs lärde hundratusentals isolerade neuroner i en maträtt att spela Pong i en virtuell miljö. Neuronerna kopplade till kiselchips som drivs av algoritmer för djupinlärning till en "syntetisk biologisk intelligensplattform" som fångade grundläggande neurobiologiska tecken på inlärning.

Här tog teamet idén ett steg längre. Om isolerade neuroner redan kunde stödja en rudimentär form av biodatorer, hur är det med 3D-minihjärnor?

Sedan debuten för ett decennium sedan har minihjärnor blivit älsklingar för att undersöka neuroutvecklingsstörningar som autism och testa nya läkemedelsbehandlingar. Ofta odlade från en patients hudceller – omvandlade till inducerade pluripotenta stamceller (iPSC) – organoiderna är särskilt kraftfulla för att efterlikna en persons genetiska makeup, inklusive deras neurala ledningar. På senare tid, mänskliga organoider delvis återställd skadad syn hos råttor efter att ha integrerats med deras värdneuroner.

Med andra ord är minihjärnor redan byggstenar för ett plug-and-play-biodatorsystem som enkelt kopplar samman med biologiska hjärnor. Så varför inte använda dem som processorer för en dator? "Frågan är: kan vi lära av och utnyttja beräkningskapaciteten hos dessa organoider?" frågade laget.

En rejäl ritning

Förra året förenades en grupp biodatorexperter i första organoid underrättelseverkstad i ett försök att bilda en gemenskap som tar itu med användningen och konsekvenserna av minihjärnor som biodatorer. Det övergripande temat, konsoliderat i "Baltimore-deklarationen", var samarbete. Ett minihjärnsystem behöver flera komponenter: enheter för att upptäcka input, processorn och en läsbar utdata.

I det nya dokumentet föreställer Hartung fyra banor för att påskynda organoid intelligens.

Den första fokuserar på den kritiska komponenten: minihjärnan. Även om de är tätt packade med hjärnceller som stöder inlärning och minne, är organoider fortfarande svåra att odla i stor skala. Ett tidigt nyckelmål, förklarade författarna, är att skala upp.

Mikrofluidiska system, som fungerar som "plantskolor", måste också förbättras. Dessa högteknologiska bubbelbad ger näringsämnen och syre för att hålla spirande minihjärnor vid liv och friska samtidigt som de tar bort giftigt avfall, vilket ger dem tid att mogna. Samma system kan också pumpa neurotransmittorer - molekyler som överbryggar kommunikation mellan neuroner - till specifika regioner för att ändra deras tillväxt och beteende.

Forskare kan sedan övervaka tillväxtbanor med hjälp av en mängd olika elektroder. Även om de flesta för närvarande är skräddarsydda för 2D-system, håller teamet och andra på att ta steget upp med 3D-gränssnitt speciellt designade för organoider, inspirerade av EEG (elektroencefalogram)-kåpor med flera elektroder placerade i en sfärisk form.

Sedan kommer avkodningen av signaler. Den andra banan handlar om att dechiffrera när och var för neural aktivitet inuti minihjärnorna. När de zappas med vissa elektriska mönster – till exempel de som uppmuntrar nervcellerna att spela Pong – ger de de förväntade resultaten?

Det är en annan svår uppgift; lärande förändrar neurala kretsar på flera nivåer. Så vad ska man mäta? Teamet föreslår att man gräver i flera nivåer, inklusive förändrat genuttryck i neuroner och hur de ansluter till neurala nätverk.

Här kan AI och samarbete slå igenom. Biologiska neurala nätverk är bullriga, så flera försök krävs innan "inlärning" blir uppenbar - i sin tur genererar en störtflod av data. För teamet är maskininlärning det perfekta verktyget för att extrahera hur olika indata, bearbetade av minihjärnan, omvandlas till utdata. Liknar storskaliga neurovetenskapliga projekt som t.ex HJÄLN-initiativet, kan forskare dela sin organoid intelligensforskning i en gemenskapsarbetsplats för globala samarbeten.

Bana tre ligger längre fram i tiden. Med effektiva och långvariga minihjärnor och mätverktyg i handen är det möjligt att testa mer komplexa indata och se hur stimuleringen matas tillbaka till den biologiska processorn. Gör det till exempel sin beräkning mer effektiv? Olika typer av organoider - säg de som liknar cortex och näthinnan - kan kopplas samman för att bygga mer komplexa former av organoid intelligens. Dessa kan hjälpa "empiriskt att testa, utforska och vidareutveckla neuroberäkningsteorier om intelligens", skrev författarna.

Intelligens on demand?

Den fjärde banan är den som understryker hela projektet: etiken i att använda minihjärnor för biodatorer.

Eftersom hjärnans organoider alltmer liknar hjärnan - så mycket att de kan integrera och delvis återställa en gnagares skadade synsystem – forskare frågar om de kan få en sorts medvetenhet.

För att vara tydlig finns det inga bevis för att minihjärnor är medvetna. Men "dessa oro kommer att öka under utvecklingen av organoid intelligens, eftersom organoiderna blir strukturellt mer komplexa, tar emot input, genererar utdata och - åtminstone teoretiskt - bearbetar information om sin miljö och bygger ett primitivt minne," sa författarna. Men målet med organoid intelligens är inte att återskapa mänskligt medvetande – det är snarare att efterlikna hjärnans beräkningsfunktioner.

Mini-hjärnprocessorn är knappast den enda etiska angelägenheten. En annan är celldonation. Eftersom minihjärnor behåller sin donators genetiska sammansättning, finns det en chans för selektionsbias och begränsning av neurodiversitet.

Sedan är det problemet med informerat samtycke. Som historien med den berömda cancercellinjen HeLa-celler har visat, kan celldonation ha effekter i flera generationer. "Vad visar organoiden om celldonatorn?" frågade författarna. Kommer forskare att ha en skyldighet att informera donatorn om de upptäcker neurologiska störningar under sin forskning?

För att navigera i det "verkligen okända territoriet" föreslår teamet en inbyggd etisk strategi. Vid varje steg kommer bioetiker att samarbeta med forskarlag för att kartlägga potentiella problem iterativt samtidigt som de samlar in allmänna åsikter. Strategin liknar andra kontroversiella ämnen, som t.ex genetisk redigering hos människor.

En mini-hjärndriven dator är år borta. "Det kommer att ta decennier innan vi når målet om något som kan jämföras med vilken typ av dator som helst", sa Hartung. Men det är dags att börja – lansera programmet, konsolidera flera tekniker över olika områden och delta i etiska diskussioner.

"I slutändan siktar vi mot en revolution inom biologisk datoranvändning som kan övervinna många av begränsningarna med kiselbaserad datoranvändning och AI och ha betydande implikationer över hela världen," sa teamet.

Image Credit: Jesse Plotkin/Johns Hopkins University

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/03/07/biocomputing-with-mini-brains-as-processors-could-be-more-powerful-than-ai/