Naukowcy stworzyli komputer z żywych ludzkich neuronów. Ma tworzyć tworzyć nowe idee i koncepcje

W 2014 roku dr Martin Küper oraz dr Fred Jordan założyli firmę FinalSpark. Jej celem było stworzenie „myślącej maszyny” zbudowanej z żywych ludzkich neuronów. Na czym polega ten nietypowy projekt?

Historia firmy FinalSpark

Firma FinalSpark została założona w 2014 roku w Vevey przez dr. Martina Küpera oraz dr. Freda Jordana z celem stworzenia „myślącej maszyny”. W 2018 roku po kilku latach badań i testowaniu wszystkich możliwych algorytmów na tradycyjnym sprzęcie komputerowym założyciele doszli do wniosku, że drogą do lepszej sztucznej inteligencji jest stworzenie nowego rodzaju hardware’u.

Ponieważ najlepiej znanym procesorem informacji jest ludzki neuron, rozpoczęli prace nad komputerami wykorzystującymi żywe neurony pozyskiwane z ludzkiej skóry. Doprowadziło to do powstania laboratorium FinalSpark w Vevey.

Laboratorium FinalSpark mieści tysiące neuronów połączonych z wieloma przewodami elektrycznymi i wykorzystywanych do obliczeń. To, co czyni je wyjątkowym, to fakt, że — według naszej wiedzy — jest to pierwsze na świecie laboratorium biokomputingowe dostępne zdalnie. Nazwaliśmy je Neuroplatformą.

Dzięki temu zaprosiliśmy naukowców z całego świata do współpracy. Spośród 34 zgłoszeń wybraliśmy 9 zespołów z różnych uniwersytetów, które otrzymały bezpłatny dostęp do laboratorium. Naukowcy ci podejmują próbę programowania neuronów. Jedne z najbystrzejszych umysłów podjęły wyzwanie nauczenia pojedynczego ludzkiego neuronu przetwarzania dokładnie takiej informacji, jakiej oczekujemy, za pomocą przewodu elektrycznego. Jeśli ten cel zostanie osiągnięty, otworzy się droga do zastąpienia komputerów krzemowych komputerami biologicznymi.

Dziś Neuroplatforma dynamicznie się rozwija i odnosi sukcesy — oprócz bezpłatnych użytkowników zdalnych pojawili się także pierwsi klienci. Firmy i osoby prywatne z całego świata płacą za dostęp do Neuroplatformy, aby prowadzić zdalne badania na organoidach mózgowych.

W związku z rosnącym zainteresowaniem skalowaliśmy system: przeszliśmy z jednego zestawu sprzętowego do wielu systemów działających równolegle.

Aby ułatwić pracę w laboratorium:

• opublikowaliśmy recenzowaną publikację techniczną w czasopiśmie Frontiers, która znalazła się w top 1 proc. najczęściej czytanych artykułów,
• uruchomiliśmy repozytorium GitHub oraz dokumentację API do interakcji z neuronami,
• zbudowaliśmy społeczność na Discordzie liczącą ponad 1000 członków zainteresowanych rozwojem biokomputingu.

Udostępniliśmy również demonstrację online naszej technologii: FinalSpark Butterfly — aplikację webową, w której użytkownicy mogą sterować ruchem motyla za pomocą żywych neuronów. Nieustannie rozwijamy możliwości Neuroplatformy, zarówno po stronie sprzętowej, jak i programowej. Najnowsze osiągnięcia obejmują:

Oprogramowanie (narzędzia Python)

• Narzędzie skanowania – optymalizuje parametry stymulacji (natężenie, polaryzację, elektrodę, czas impulsu) w celu wywołania potencjałów czynnościowych.
• Sortowanie spike’ów – wykorzystuje analizę głównych składowych (PCA) do określenia, czy elektroda rejestruje sygnały z jednego czy wielu neuronów.
• Korelogram krzyżowy – identyfikuje korelacje czasowe między sygnałami z par elektrod.

Oprogramowanie i sprzęt

• Stymulacja chemiczna neuroprzekaźnikami - Możemy programowo oddziaływać na neurony nie tylko elektrycznie, ale także chemicznie, wykorzystując dopaminę, glutaminian lub serotoninę. Użytkownicy kontrolują uwalnianie substancji za pomocą dedykowanego API stymulacji.

Aby wspierać te działania, potroiliśmy powierzchnię laboratorium i rozpoczęliśmy samodzielną produkcję sprzętu do interfejsowania z neuronami, co daje większą elastyczność rozwoju Neuroplatformy. Nasza praca została zauważona przez media i środowisko akademickie. FinalSpark znalazł się m.in. w Wikipedii jako jedno z wyróżnień „2024 w nauce”. Chcemy dostarczać rzetelne informacje o biokomputingu — dynamicznie rozwijającej się dziedzinie obliczeń.

Kluczowe fakty o FinalSpark:

• 10 lat działalności
• 6 członków zespołu, 3 doradców
• 20 TB zgromadzonych danych
• 1 mln CHF zainwestowanego kapitału
• około 10 milionów przetestowanych neuronów
• 4 patenty

Założyciele i projekt FinalSpark

Dr Fred Jordan i dr Martin Küper

Fred i Martin rozpoczęli swoją drogę w przedsiębiorczości technologicznej po ukończeniu doktoratów z matematyki stosowanej na EPFL. Doświadczenie to doprowadziło do założenia ich pierwszego udanego start-upu — AlpVision — który stworzył innowacyjne rozwiązania w zakresie uwierzytelniania produktów i do dziś działa z sukcesem.

Kolejnym wyzwaniem było zmierzenie się z problemem ogólnej sztucznej inteligencji (AGI). Prawdziwie „myśląca maszyna” powinna nie tylko imitować myślenie za pomocą statystyki, ale także tworzyć nowe idee i koncepcje wykraczające poza własne doświadczenie.

Założyciele testowali nowoczesne podejścia, takie jak symulowane sieci neuronów impulsowych, programowanie genetyczne oraz klasyczne sieci neuronowe. Interdyscyplinarne myślenie doprowadziło ich do pracy z żywymi neuronami jako jednostkami obliczeniowymi.

Główne pytania badawcze FinalSpark brzmią:

• Jak sprawić, aby żywe neurony wykonywały zaplanowane obliczenia?
• Jak przesyłać do nich instrukcje za pomocą przewodów elektrycznych i odbierać wyniki, analogicznie do komputerów cyfrowych?

Rozwiązania biologiczne

W ciągu ostatnich 30 lat obserwujemy wyraźne przesunięcie od inżynierii sztucznej w stronę inżynierii biologicznej:

• zamiast sztucznych serc rozwija się transplantologia i hodowla organoidów,
• zamiast nanomaszyn — immunoterapia i medycyna personalizowana,
• zamiast wyłącznie cyfrowego zapisu danych — potencjalne magazynowanie danych w DNA,
• zamiast syntezy chemicznej — produkcja leków w bioreaktorach.

Trend ten sugeruje, że biologiczne sieci neuronowe mogą w przyszłości zastąpić sztuczne sieci neuronowe w wielu zastosowaniach obliczeniowych, w tym w AI.

Wpływ na zużycie energii

Nowoczesne modele AI wymagają ogromnych ilości energii i generują znaczne emisje CO₂. Wytrenowanie jednego dużego modelu może odpowiadać emisjom pięciu samochodów w całym ich cyklu życia.

Choć AI nie jest jeszcze największym źródłem emisji, dynamiczny rozwój dużych modeli sprawia, że zużycie energii przez centra danych będzie gwałtownie rosnąć. Regulacje nie wystarczą — potrzebna jest lepsza alternatywa technologiczna. Biologiczne neurony jako sprzęt obliczeniowy oferują szansę na znaczne ograniczenie zużycia energii. FinalSpark działa z misją stworzenia takiej alternatywy.

Otwarta innowacja

Podczas pandemii COVID-19 opracowaliśmy system umożliwiający prowadzenie eksperymentów neuronowych zdalnie. Obecnie uniwersytety z całego świata korzystają z Neuroplatformy bezpłatnie, aby prowadzić badania w dziedzinie biokomputingu.

Spośród 33 zgłoszonych uczelni wybrano 8, m.in.:

• University Côte d’Azur
• University of Michigan
• Free University of Berlin
• University of Exeter
• Lancaster University, University of Leipzig i University of York
• Oxford Brookes University
• University of Bath
• University of Bristol

System Neuroplatformy został opublikowany w czasopiśmie Frontiers i stanowi fundament dalszych badań.

Źródło: materiały prasowe / FinalSpark / red.