Naukowcy: Komputery przyszłości będą działać na ludzkich komórkach mózgowych

„Biokomputer” zasilany ludzkimi komórkami mózgowymi mógłby zostać opracowany jeszcze za naszego życia - uważają naukowcy z Johns Hopkins University. Prognozują oni, że taka technologia wykładniczo rozszerzy możliwości nowoczesnych komputerów i stworzy nowe dziedziny badań.

Swoje prognozy dotyczące tzw. inteligencji organoidalnej (OI) przedstawili w czasopiśmie „Frontiers in Science”.

- Przetwarzanie danych i sztuczna inteligencja napędzają rewolucję technologiczną, ale powoli osiągają pułap – uważa prof. Thomas Hartung, kierownik grupy badawczej, która stoi za tą publikacją. - Biokomputery mogą zaoferować ogromną moc, wynikającą z zagęszczenia mocy obliczeniowej i zwiększenia wydajności, która pozwoli przekroczyć nasze obecne ograniczenia technologiczne".

Już od dwóch dekad naukowcy używają maleńkich organoidów, czyli wyhodowanych w laboratorium tkanek przypominających w prawdziwe narządy, aby móc eksperymentować na nerkach, płucach i innych organach bez konieczności przeprowadzania testów na żywych ludziach i zwierzętach. Niedawno prof. Hartung i jego współpracownicy rozpoczęli pracę z organoidami mózgu - maleńkimi kuleczkami wyposażonymi w neurony i inne elementy tkanki mózgowej, które są w stanie wykazywać podstawowe funkcje tego organu, takie jak uczenie się i zapamiętywanie.

- To otwiera przed nami zupełnie nowy sposób badania tego, jak działa ludzki mózg – mówi Hartung. - Możemy manipulować takim układem i robić rzeczy, których ze względów etycznych nie dałoby się zrobić z ludzkim mózgiem".

Zespół zaczął hodować i łączyć komórki mózgowe w funkcjonalne organoidy w 2012 r., używając do tego komórek ludzkiej skóry, przeprogramowanych do stanu przypominającego embrionalne komórki macierzyste. Każdy organoid zawiera około 50 tys. komórek i ma wielkość układu nerwowego muszki owocowej. Z czasem badacze zaczęli myśleć o czymś więcej - o zbudowaniu futurystycznego komputera, który działałby w oparciu o takie właśnie organoidy mózgowe.

Takie biologiczne komputery, poza dużo większą wydajnością, mogłyby złagodzić wymagania dotyczące zużycia energii, co w dzisiejszych czasach jest coraz istotniejsze. Bo chociaż obecne komputery przetwarzają dane liczbowe i wykonują obliczenia znaczenie szybciej niż ludzie, to jednak nadal mózgi są dużo skuteczniejsze w podejmowaniu złożonych decyzji logicznych, np. odróżnianiu psa od kota.

- Mózg wciąż nie ma sobie równych; nawet nowoczesne komputery mu nie dorównują – podkreśla prof. Hartung. - Np. Frontier, najnowszy superkomputer w USA, to instalacja o powierzchni 6800 stóp kwadratowych, warta 600 milionów dolarów. Jednak dopiero w czerwcu ubiegłego roku po raz pierwszy przekroczyła możliwości obliczeniowe pojedynczego ludzkiego mózgu, przy czym zużyła na to milion razy więcej energii.

Mózgi nie tylko lepiej się uczą, ale są również bardziej wydajne energetycznie. Ilość energii zużywanej na szkolenie superkomputera jest zdecydowanie większa niż ilość potrzebna do utrzymania przy życiu aktywnego dorosłego człowieka przez 10 lat.

- Mózgi mają również niesamowitą pojemność; mogą przechowywać informacje nawet do 2500 TB – tłumaczy Hartung. - Tymczasem docieramy do fizycznych granic komputerów krzemowych, ponieważ nie możemy zmieścić większej liczby tranzystorów w małym chipie.

Naukowiec dodaje, że mogą minąć dziesięciolecia, zanim inteligencja organoidów będzie w stanie zasilić system komputerowy dorównujący inteligencją… myszy. Ale zwiększając skalę produkcji organoidów mózgowych i szkoląc je za pomocą sztucznej inteligencji, można wyobrazić sobie przyszłość, w której biokomputery będą zapewniać najwyższą prędkość obliczeniową, moc obliczeniową, wydajność przetwarzania danych i możliwość ich przechowywania.

- Miną dziesięciolecia, zanim osiągniemy ten cel, ale jeśli już dziś nie zaczniemy tworzyć programów finansowania takich projektów, będzie to jeszcze trudniejsze - uważa Hartung.

Potencjał inteligencji organoidalnej wykracza jednak poza informatykę i obejmuje również medycynę. Zdaniem współautorki publikacji dr Leny Smirnovej biokomputery mogą zrewolucjonizować m.in. badania nad testowaniem leków pod kątem zaburzeń neurorozwojowych i neurodegeneracyjnych.

- Będziemy mogli porównać organoidy mózgowe od dawców neurotypowych z tymi od osób z zaburzeniami ze spektrum autyzmu - mówi. - Pozwoli nam to zrozumieć zmiany w sieciach neuronowych, które są specyficzne dla autyzmu, bez konieczności wykorzystywania zwierząt lub badań na pacjentach. Zobaczymy, co leży u podstaw tego, że osoby ze spektrum mają pewne charakterystyczne problemy, a ich procesy poznawcze przebiegają inaczej. Tak samo będzie można badać chorobę Alzheimera, problemy z uczeniem się i pamięcią.

Jednak tworzenie organoidów ludzkiego mózgu, które mogą się uczyć, zapamiętywać i wchodzić w interakcje z otoczeniem, rodzi wątpliwości etyczne. Na przykład, czy mogłaby rozwinąć się w nich świadomość, nawet w bardzo podstawowej formie. Czy będą odczuwać ból lub cierpienie? Jakie prawa powinni mieć ludzie w odniesieniu do organoidów mózgowych wykonanych z ich komórek?

Autorzy publikacji są świadomi tych problemów. - Kluczową częścią naszej wizji jest rozwijanie inteligencji organoidalnej w sposób etyczny i odpowiedzialny społecznie - podkreśla prof. Hartung. - Z tego powodu od samego początku współpracujemy z etykami. W miarę rozwoju badań wszystkie kwestie będą stale oceniane przez zespoły złożone z naukowców, etyków i opinii publicznej.

A jak daleko jesteśmy od pierwszej organoidalnej inteligencji? Mimo że dziedzina ta dopiero raczkuje, niedawno opublikowane badanie jednego ze omawianego artykułu – dr Bretta Kagana z Cortical Labs – dostarcza dowodów na słuszność koncepcji. Badacz wykazał bowiem, że normalna, płaska hodowla komórek mózgowych może nauczyć się grać w grę wideo "Pong".

- To samo zespół Kagana testuje teraz na organoidach mózgowych – mówi Hartung. - A, jeśli eksperyment się powiedzie, będzie to już spełnienie podstawowej definicji OI. Od tego momentu to już tylko kwestia budowania społeczności, narzędzi i technologii, aby w pełni wykorzystać potencjał OI.

Źródło: PAP / tk