Zinātnieki sadarbojas vairākās jomās, lai izveidotu biodatorus, kas izmanto smadzeņu šūnu 3D kultūras, ko sauc par smadzeņu organoīdiem, kā biodatorus. Viņi izklāstīja savu plānu šī mērķa sasniegšanai zinātniskajā žurnālā zinātnes robežas.
Neraugoties uz AI iespaidīgajiem sasniegumiem, tā skaitļošanas jauda ir bāla salīdzinājumā ar cilvēka smadzenēm. Tagad zinātnieki atklāj revolucionāru ceļu skaitļošanas virzīšanai uz priekšu: organoīdu intelektu, kurā laboratorijā audzēti smadzeņu organoīdi darbojas kā bioloģiskas ierīces.
Mākslīgo intelektu vienmēr ir iedvesmojušas cilvēka smadzenes. Šī pieeja ir izrādījusies ļoti veiksmīga: AI izbauda iespaidīgus varoņdarbus — no medicīnisko stāvokļu diagnosticēšanas līdz dzejas sacerēšanai. Tomēr sākotnējais modelis joprojām daudzējādā ziņā pārspēj mašīnas. Tāpēc, piemēram, mēs varam “pierādīt savu cilvēcību” ar triviālām tiešsaistes foto viktorīnām. Kā būtu, ja mēs dotos tieši uz avotu, nevis mēģinātu padarīt AI vairāk līdzīgu smadzenēm?
Zinātnieki vairākās disciplīnās strādā, lai radītu revolucionārus biodatorus, kuros smadzeņu šūnu 3D kultūras, ko sauc par smadzeņu organoīdiem, darbojas kā bioloģiskas ierīces. Viņi žurnālā apraksta savu ceļvedi šīs vīzijas sasniegšanai zinātnes robežas.
Laboratorijā audzēta smadzeņu organoīda palielināts attēls ar dažādu šūnu tipu fluorescējošu marķējumu. (rozā – neironi; sarkans – oligodendrocīti; zaļš – astrocīti; zils – visi šūnu kodoli). Pateicība: Thomas Hartung, Džona Hopkinsa universitāte
“Šo jauno starpdisciplināro jomu mēs saucam par “organisko intelektu” (OI),” sacīja Džona Hopkinsa universitātes profesors Tomass Hartungs. “Vadošo zinātnieku kopiena ir sapulcējusies, lai izstrādātu šo tehnoloģiju, kas, mūsuprāt, aizsāks jaunu ātru jaudīga un efektīva bioskaitļošana.
Kas ir smadzeņu organoīdi, un kāpēc tie veido labus datorus?
Smadzeņu organoīdi ir šūnu kultūras veids laboratorijā. Lai gan organoīdi nav “mini smadzenes”, tiem ir kopīgi smadzeņu darbības un struktūras galvenie aspekti, piemēram, neironi un citas smadzeņu šūnas, kas ir būtiskas kognitīvām funkcijām, piemēram, mācībām un atmiņai. Turklāt, lai gan lielākā daļa šūnu kultūru ir plakanas, organellām ir trīsdimensiju struktūra. Tā rezultātā 1000 reižu palielinās kultūras šūnu blīvums, kas nozīmē, ka neironi var veidot lielāku savienojumu skaitu.
Bet pat ja smadzeņu organoīdi ir tik labi smadzeņu atdarinātāji, kāpēc viņi ražo tik labus datorus? Galu galā, vai datori nav gudrāki un ātrāki par smadzenēm?
Organiskais intelekts: jaunā robeža bioskaitļošanas diagrammā. Kredīts: Frontiers / Džona Hopkinsa universitāte
“Lai gan datori, kuru pamatā ir silīcijs, noteikti ir labāki ar skaitļiem, smadzenes labāk mācās,” paskaidroja Hartungs. Piemēram, AlphaGo [the AI that beat the world’s number one Go player in 2017] Tas tika apmācīts, izmantojot datus no 160 000 spēlēm. Lai piedzīvotu šīs daudzās spēles, cilvēkam būtu jāspēlē piecas stundas dienā vairāk nekā 175 gadus.
Smadzenes ir ne tikai labākas mācīšanās spējas, bet arī energoefektīvākas. Piemēram, AlphaGo treniņiem iztērētās enerģijas apjoms ir vairāk nekā nepieciešams, lai desmit gadus uzturētu aktīvu pieaugušo.
“Smadzenēm ir arī pārsteidzoša spēja uzglabāt informāciju, kas tiek lēsta 2500 terabaitos,” piebilda Hartungs. Mēs esam sasnieguši silīcija datoru fiziskās robežas, jo mēs nevaram iepakot vairāk tranzistoru mazā mikroshēmā. Bet smadzenes ir savienotas pavisam citādi. Tam ir aptuveni 100 miljardi neironu, kas savienoti, izmantojot vairāk nekā 1015 savienojuma punktus. Tā ir milzīga spēka atšķirība salīdzinājumā ar mūsu pašreizējo tehnoloģiju.
Organiskais intelekts: jaunā robeža bioskaitļošanas diagrammā. Kredīts: Frontiers / Džona Hopkinsa universitāte
Kā izskatītos biodatori ar organisko intelektu?
Saskaņā ar Hartunga teikto, esošajām smadzeņu organellām ir jāpalielina OI izmērs. Tie ir ļoti mazi, katrā ir aptuveni 50 000 šūnu. Attiecībā uz OI mums šis skaitlis būtu jāpalielina līdz 10 miljoniem.
Paralēli autori izstrādā arī paņēmienus saziņai ar organellām: citiem vārdiem sakot, sūta viņiem informāciju un lasa to, ko viņi domā. Autori plāno pielāgot instrumentus no dažādām zinātnes disciplīnām, piemēram, bioinženierijas un[{” attribute=””>machine learning, as well as engineer new stimulation and recording devices.
Organoid intelligence requires diverse technologies to communicate with brain organoids infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University
“We developed a brain-computer interface device that is a kind of an EEG cap for organoids, which we presented in an article published last August. It is a flexible shell that is densely covered with tiny electrodes that can both pick up signals from the organoid, and transmit signals to it,” said Hartung.
The authors envision that eventually, OI would integrate a wide range of stimulation and recording tools. These will orchestrate interactions across networks of interconnected organoids that implement more complex computations.
Organoid intelligence could help prevent and treat neurological conditions
OI’s promise goes beyond computing and into medicine. Thanks to a groundbreaking technique developed by Noble Laureates John Gurdon and Shinya Yamanaka, brain organoids can be produced from adult tissues. This means that scientists can develop personalized brain organoids from skin samples of patients suffering from neural disorders, such as Alzheimer’s disease. They can then run multiple tests to investigate how genetic factors, medicines, and toxins influence these conditions.
Organoid intelligence will advance medical research and innovation infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University
“With OI, we could study the cognitive aspects of neurological conditions as well,” Hartung said. “For example, we could compare memory formation in organoids derived from healthy people and from Alzheimer’s patients, and try to repair relative deficits. We could also use OI to test whether certain substances, such as pesticides, cause memory or learning problems.”
Taking ethical considerations into account
Creating human brain organoids that can learn, remember, and interact with their environment raises complex ethical questions. For example, could they develop consciousness, even in a rudimentary form? Could they experience pain or suffering? And what rights would people have concerning brain organoids made from their cells?
‘Embedded ethics’ will ensure responsible development of organoid intelligence infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University
The authors are acutely aware of these issues. “A key part of our vision is to develop OI in an ethical and socially responsible manner,” Hartung said. “For this reason, we have partnered with ethicists from the very beginning to establish an ‘embedded ethics’ approach. All ethical issues will be continuously assessed by teams made up of scientists, ethicists, and the public, as the research evolves.”
How far are we from the first organoid intelligence?
Even though OI is still in its infancy, a recently-published study by one of the article’s co-authors – Dr. Brett Kagan of the Cortical Labs – provides proof of concept. His team showed that a normal, flat brain cell culture can learn to play the video game Pong.
“Their team is already testing this with brain organoids,” Hartung added. “And I would say that replicating this experiment with organoids already fulfills the basic definition of OI. From here on, it’s just a matter of building the community, the tools, and the technologies to realize OI’s full potential,” he concluded.
Reference: “Organoid intelligence (OI): the new frontier in biocomputing and intelligence-in-a-dish” by Lena Smirnova, Brian S. Caffo, David H. Gracias, Qi Huang, Itzy E. Morales Pantoja, Bohao Tang, Donald J. Zack, Cynthia A. Berlinicke, J. Lomax Boyd, Timothy D. Harris, Erik C. Johnson, Brett J. Kagan, Jeffrey Kahn, Alysson R. Muotri, Barton L. Paulhamus, Jens C. Schwamborn, Jesse Plotkin, Alexander S. Szalay, Joshua T. Vogelstein, Paul F. Worley and Thomas Hartung, 27 February 2023, Frontiers in Science.
DOI: 10.3389/fsci.2023.1017235
