Znanstveniki sodelujejo na več področjih pri izdelavi bioračunalnikov, ki kot biološko strojno opremo uporabljajo tridimenzionalne kulture možganskih celic, imenovane možganski organoidi. Svoj načrt za dosego tega cilja opisujejo v znanstveni reviji Meje v znanosti,

Kljub impresivnim dosežkom umetne inteligence je njena računalniška moč v primerjavi s človeškimi možgani bleda. Zdaj znanstveniki razkrivajo revolucionarno pot do napredka računalništva: organoidna inteligenca, kjer v laboratoriju vzgojeni možganski organoidi delujejo kot biološka strojna oprema.

Umetna inteligenca (AI) se že dolgo zgleduje po človeških možganih. Pristop se je izkazal za zelo uspešnega: AI se ponaša z impresivnimi dosežki – od diagnosticiranja zdravstvenih stanj do pisanja poezije. Kljub temu osnovni model v marsičem prekaša stroje. Zato lahko na primer ‘dokažemo svojo človečnost’ s trivialnimi slikovnimi testi na spletu. Kaj če bi namesto poskušanja narediti AI bolj podobno možganom, šli naravnost do vira?

Znanstveniki iz številnih disciplin si prizadevajo ustvariti revolucionarne bioračunalnike, kjer tridimenzionalne kulture možganskih celic, imenovane možganski organoidi, služijo kot biološka strojna oprema. Svoj načrt za uresničitev te vizije opisujejo v reviji Meje v znanosti,

Povečana slika možganskega organoida, vzgojenega v laboratoriju s fluorescenčnim označevanjem za različne vrste celic. (Roza – nevroni; rdeča – oligodendrociti; zelena – astrociti; modra – vsa celična jedra). Zasluge: Thomas Hartung, Univerza Johns Hopkins

“To novo interdisciplinarno področje imenujemo ‘organoidna inteligenca’ (OI),” je dejal profesor Thomas Hartung z univerze Johns Hopkins. “Skupnost vrhunskih znanstvenikov se je zbrala za razvoj te tehnologije, za katero verjamemo, da bo začela novo dobo hitrega, zmogljivega in učinkovitega bioračunalništva.”

Kaj so možganski organoidi in zakaj bi bili dobri računalniki?

Možganski organoidi so vrsta v laboratoriju gojenih celičnih kultur. Čeprav možganski organoidi niso “mini možgani”, imajo skupne ključne vidike delovanja in strukture možganov, kot so nevroni in druge možganske celice, ki so bistvenega pomena za kognitivne funkcije, kot sta učenje in spomin. Poleg tega, medtem ko je večina celičnih kultur ravnih, imajo organoidi tridimenzionalno strukturo. To poveča celično gostoto kulture za 1000-krat, kar pomeni, da lahko nevroni vzpostavijo veliko več povezav.

Toda tudi če so možganski organoidi dobra kopija možganov, zakaj bi delali dobre računalnike? Navsezadnje, ali niso računalniki pametnejši in hitrejši od možganov?

Organoidna inteligenca: Nova meja v bioračunalniški infografiki. kredit: Frontiers / Univerza John Hopkins

“Medtem ko so računalniki na osnovi silicija zagotovo boljši s številkami, so možgani boljši pri učenju,” je pojasnil Hartung. “Na primer AlphaGo [the AI that beat the world’s number one Go player in 2017] Bil je usposobljen na podlagi podatkov iz 160.000 iger. Da bi izkusil toliko iger, bi moral človek igrati pet ur na dan več kot 175 let.

Možgani niso samo boljši učenci, so tudi bolj energetsko učinkoviti. Na primer, količina energije, porabljene za usposabljanje alfaga, je večja, kot je potrebna za vzdrževanje aktivne odrasle osebe desetletje.

“Možgani imajo tudi neverjetno zmogljivost za shranjevanje informacij, ocenjeno na 2500 TB,” je dejal Hartung. “Dosegamo fizične meje silicijevih računalnikov, ker ne moremo zapakirati več tranzistorjev v manjši čip. Toda možgani so ožičeni na povsem drugačen način. Imajo več kot 1015 povezovalnih točk. z njimi je povezanih približno 100 milijard nevronov. To je velika vrzel v moči v primerjavi z našo trenutno tehnologijo.

Organoidna inteligenca: Nova meja v bioračunalniški infografiki. kredit: Frontiers / Univerza John Hopkins

Kako bi izgledal bioračunalnik organoidne inteligence?

Po Hartungu OI zahteva povečanje sedanjih možganskih organoidov. “So zelo majhne, ​​vsaka vsebuje približno 50.000 celic. Za OI bi morali to število povečati na 10 milijonov,” je pojasnil.

Vzporedno avtorji razvijajo tudi tehnike za komunikacijo z organoidi: z drugimi besedami, da jim pošiljajo informacije in berejo, kaj mislijo. Avtorji nameravajo prilagoditi orodja iz različnih znanstvenih disciplin, kot sta bioinženiring in strojno učenjekot tudi zasnoval nove naprave za stimulacijo in snemanje.

Organoidna inteligenca zahteva različne tehnologije za komunikacijo z infografiko možganskih organoidov. kredit: Frontiers / Univerza John Hopkins

“Razvili smo napravo za vmesnik med možgani in računalnikom, ki je različica pokrova EEG za organoide, ki smo jih predstavili v članku, objavljenem avgusta lani. To je prožna lupina, gosto prekrita z drobnimi elektrodami, ki lahko poberejo signale iz organoida in prenašajo signale nanj,” je dejal Hartung.

Avtorji predvidevajo, da bo OI sčasoma vključil široko paleto stimulacijskih in snemalnih naprav. Ti bodo orkestrirali interakcije v omrežjih med seboj povezanih organoidov, ki izvajajo bolj zapletene izračune.

Organoidna inteligenca bi lahko pomagala pri preprečevanju in zdravljenju nevroloških stanj

Obljube OI segajo onkraj računalništva in medicine. Zahvaljujoč prelomni tehniki, ki sta jo razvila Nobelova nagrajenca John Gurdon in Shinya Yamanaka, je mogoče iz tkiva odraslih proizvesti možganske organoide. To pomeni, da lahko znanstveniki vzgojijo posamezne možganske organe iz vzorcev kože bolnikov z nevrološkimi motnjami, kot je npr. Alzheimerjeva bolezen Bolezen. Nato lahko izvedejo vrsto testov, da ugotovijo, kako genetski dejavniki, zdravila in toksini vplivajo na ta stanja.

Organoidna inteligenca bo pospešila infografiko medicinskih raziskav in inovacij. kredit: Frontiers / Univerza John Hopkins

“Z OI lahko preučujemo tudi kognitivne vidike nevroloških stanj,” je dejal Hartung. “Na primer, lahko primerjamo tvorbo spomina v organoidih, pridobljenih od zdravih ljudi in bolnikov z Alzheimerjevo boleznijo, in poskušamo opaziti relativne primanjkljaje. OI lahko uporabimo tudi za testiranje, ali nekatere snovi, kot so pesticidi, povzročajo težave s spominom ali učenjem.

ob upoštevanju etičnih vidikov

Ustvarjanje organizacij človeških možganov, ki se lahko učijo, si zapomnijo in komunicirajo s svojim okoljem, postavlja zapletena etična vprašanja. Na primer, ali bi lahko razvili zavest celo v osnovni obliki? Ali lahko čutijo bolečino ali trpljenje? In kakšne pravice bi imeli ljudje glede možganskih organov, narejenih iz njihovih celic?

„Vgrajena etika“ bo zagotovila odgovoren razvoj infografike organoidne inteligence. kredit: Frontiers / Univerza John Hopkins

Avtorji se teh vprašanj zelo zavedajo. “Pomemben del naše vizije je razvoj OI na etičen in družbeno odgovoren način,” je dejal Hartung. “Zaradi tega smo od samega začetka sodelovali z etiki, da bi vzpostavili pristop ‘vgrajene etike’. Z razvojem raziskav bodo vsa etična vprašanja nenehno ocenjevale ekipe, ki jih sestavljajo znanstveniki, etiki in javnost.

Kako daleč smo od prve organoidne inteligence?

Čeprav je OI še v povojih, je nedavno objavljena študija enega od soavtorjev članka – dr. Brett Kagan – zagotavlja dokaz koncepta. Njegova ekipa je pokazala, da je normalno, ravno se lahko nauči kulture možganskih celic Za igrajte videoigro pong,

“Njegova ekipa ga že preizkuša z možganskimi organi,” je dejal Hartung. “Rekel bi, da ponavljanje tega poskusa z organoidi že ustreza prvotni definiciji OI. Od tu naprej je samo stvar izgradnje skupnosti, orodij in tehnologij za uresničitev celotnega potenciala OI,” je dejal.

Reference: Lena Smirnova, Brian S. Cafo, David H. Gracias, Qi Huang, Itzi E. Morales Pantoja, Baohao Tang, “Organoid Intelligence (OI): The New Frontier in Biocomputing and Intelligence-in-a-Dish” Donald J. Zack, Cynthia A. Berlinck, J. Lomax Boyd, Timothy D. Harris, Eric C. Johnson, Brett J. Kagan, Jeffrey Kahn, Alison R. Mootri, Barton L. Paulhamus, Jens C. Schwamborn, Jesse Plotkin, Alexander S. Sazale, Joshua T. Vogelstein, Paul F. Varley in Thomas Hartung, 27. februar 2023, na voljo tukaj Meje v znanosti,
DOI: 10.3389/fsci.2023.1017235