Cercetătorii au construit un biocomputer hibrid care combină un ţesut cerebral uman cultivat în laborator cu circuite convenţionale de calculator şi care poate îndeplini sarcini precum recunoaşterea vocii.
În prezent, nu există niciun computer care să fie nici pe departe la fel de puternic şi de complex cum este creierul uman.
Fragmentele de ţesut din interiorul craniului nostru pot procesa informaţii în cantităţi şi la viteze pe care tehnologia informatică abia le poate atinge.
Creierul nostru este capabil să proceseze echivalentul unui exaflop, adică un miliard de miliarde (1 urmat de 18 zerouri) de operaţii matematice pe secundă, cu o putere de doar 20 de waţi.
Cheia succesului creierului este eficienţa neuronilor de a servi ca procesoare şi ca dispozitive de memorie, spre deosebire de unităţile separate fizic din majoritatea dispozitivelor informatice moderne.
Au existat multe încercări de a face ca informatica să semene mai mult cu creierul uman, dar un nou efort duce totul mai departe, prin integrarea ţesutului cerebral uman real, actual, cu electronica.
Acum, un sistem care integrează celule cerebrale într-o maşină hibridă poate îndeplini sarcini precum recunoaşterea vocii.
Acest „biocomputer" combină ţesutul cerebral cultivat în laborator cu componentele electronice ale unui calculator.
Biocomputerul se numeşte Brainoware şi funcţionează.
Acesta încorporează organoizi cerebrali - mănunchiuri de celule umane care imită ţesuturi şi care sunt folosite în cercetare pentru a modela organe.
Organoizii sunt realizaţi din celule stem capabile să se specializeze în diferite tipuri de celule. În acest caz, acestea au fost transformate în neuroni, asemănători celor din creierul nostru.
Exploatarea puterii creierului
Pentru a realiza sistemul Brainoware, cercetătorii au plasat un singur organoid pe o placă ce conţine mii de electrozi pentru a conecta creierul la circuitele electrice.
Apoi, au tradus informaţiile pe care au dorit să le introducă într-un model de impulsuri electrice pe care le transmit organidului.
Răspunsul ţesutului cerebral este preluat de un senzor şi „decodificat" cu ajutorul unui algoritm de învăţare automată care poate identifica informaţiile la care se referă.
O echipă condusă de inginerul Feng Guo de la Universitatea Bloomington din Indiana (Statele Unite) a testat computerul biologic cu sarcini precum recunoaşterea vorbirii şi predicţia ecuaţiilor neliniare.
Pentru a testa capacităţile Brainoware, echipa a folosit o tehnică de recunoaştere a vocii, antrenând sistemul pe 240 de înregistrări cu opt persoane care vorbeau, traducând sunetul în energie electrică pentru a fi transmis organidului.
Mini-creierul a reacţionat diferit la fiecare voce, generând un model diferit de activitate neuronală.
AI a învăţat să interpreteze aceste răspunsuri pentru a identifica vorbitorul. După antrenament, sistemul a putut identifica vocile cu o precizie de 78%.
Acesta a fost puţin mai puţin precis decât un computer pur hardware care funcţionează pe baza inteligenţei artificiale (AI), dar cercetarea demonstrează un prim pas important într-un nou tip de arhitectură de calculator.
Cercetarea urmăreşte să construiască „o punte de legătură între inteligenţa artificială şi organoizi", spune coautorul studiului, Feng Guo, bioinginer la Universitatea Bloomington.
Atât AI, cât şi creierul se bazează pe transmiterea de semnale în jurul unei reţele de noduri interconectate, cunoscută sub numele de reţea neuronală.
„Ne-am pus întrebarea dacă putem folosi reţeaua neuronală biologică din cadrul organoidului cerebral pentru calcul", spune el.
Tehnologia, descrisă într-un articol apărut luni, 11 decembrie, în revista Nature Electronics, ar putea fi integrată într-o bună zi în sistemele de inteligenţă artificială (AI) sau ar putea sta la baza unor modele îmbunătăţite ale creierului în cercetarea în domeniul neuroştiinţelor şi bolilor neurologice.
Echipa a respectat recomandările privind etica în dezvoltarea Brainoware, totuşi, mai mulţi cercetători de la Universitatea Johns Hopkins notează, într-un articol conex din revista Nature Electronics, importanţa de a ţine cont de consideraţiile etice în timp ce această tehnologie se extinde în continuare.
„Pe măsură ce sofisticarea acestor sisteme organoide creşte, este esenţial ca şi comunitatea ştiinţifică să examineze multitudinea de probleme neuroetice care înconjoară sistemele de bioinformatică ce încorporează ţesut neuronal uman", avertizează Lena Smirnova, Brian Caffo şi Erik C. Johnson, care nu au fost implicaţi în studiu.
O diagramă care ilustrează modul în care funcţionează Brainoware. (Cai et al., Nat. Electron., 2023)
Creierul uman este oarecum uimitor. Acesta conţine aproximativ 86 de miliarde de neuroni, în medie, şi până la un cvadrilion de sinapse.
Fiecare neuron este conectat la până la 10.000 de alţi neuroni, care se aprind în mod constant şi comunică între ei.
Până în prezent, cel mai bun efort de a simula activitatea creierului într-un sistem artificial reprezintă doar vârful aisbergului din performanţa acestuia.
În 2013, calculatorul K Computer de la Riken - pe atunci unul dintre cele mai puternice supercalculatoare din lume - a făcut o încercare de a imita creierul.
Cu 82.944 de procesoare şi un petabyte de memorie principală, a avut nevoie de 40 de minute pentru a simula timp de o secundă activitatea a 1,73 miliarde de neuroni conectaţi prin 10,4 trilioane de sinapse - aproximativ doar unul până la două procente din creier.
În ultimii ani, oamenii de ştiinţă şi inginerii au încercat să se apropie de capacităţile creierului prin proiectarea de sisteme hardware şi algoritmi care să-i imite structura şi modul de funcţionare.
Cunoscută sub numele de calcul neuromorfic, această metodă se îmbunătăţeşte, dar necesită multă energie, iar antrenarea reţelelor neuronale artificiale necesită mult timp.
De la stânga la dreapta, sus: Organoizi ai creierului uman la 7 zile, 14 zile, 28 de zile şi câteva luni; Jos, de la stânga la dreapta: 1 lună, 2 luni, 3 luni. (Cai et al., Nat. Electron., 2023)
Acum, echipa a căutat o abordare diferită, folosind ţesut cerebral uman real cultivat în laborator.
Celulele stem pluripotente umane au fost convinse să se dezvolte în diferite tipuri de celule cerebrale care s-au organizat în mini-creiere tridimensionale numite organoizi, completate cu conexiuni şi structuri.
Acestea nu sunt creiere adevărate, ci simple aranjamente de ţesut fără nimic asemănător cu gândirea, emoţia sau conştiinţa, spun autorii. Ele sunt utile pentru a studia modul în care se dezvoltă şi funcţionează creierul, fără a fi nevoie de a scotoci în creierul unui om adevărat.
Brainoware constă în organoizi cerebrali conectaţi la o matrice de microelectrozi de mare densitate, folosind un tip de reţea neuronală artificială cunoscută sub numele de „reservoir computing" (rezervor computaţional).
Stimularea electrică transportă informaţii în organoid, rezervorul în care aceste informaţii sunt procesate înainte ca Brainoware să îşi expună calculele sub formă de activitate neuronală.
Pentru straturile de intrare şi de ieşire se utilizează sisteme electronice standard de calculator.
Aceste straturi au trebuit să fie antrenate pentru a funcţiona cu organoidul, cu stratul de ieşire care citeşte datele neuronale şi face clasificări sau predicţii pe baza datelor de intrare.
Pentru a demonstra sistemul, cercetătorii au testat pe Brainoware 240 de clipuri audio de la opt vorbitori de sex masculin care emiteau sunete de vocale japoneze şi i-au cerut să identifice vocea unei anumite persoane.
Ei au început cu un organoid naiv; după un antrenament de doar două zile, Brainoware a reuşit să identifice vorbitorul cu o precizie de 78%.
Un exemplu al unuia dintre organoizi şi activitatea neuronală scanată a acestuia. (Cai et al., Nat. Electron., 2023)
De asemenea, echipa i-a cerut lui Brainoware să prezică o hartă Hénon, un sistem dinamic care prezintă un comportament haotic.
L-au lăsat să înveţe nesupravegheat timp de patru zile - fiecare zi reprezentând o epocă de antrenament - şi au constatat că a fost capabil să prezică harta cu o precizie mai bună decât o reţea neuronală artificială fără o unitate de memorie pe termen scurt.
Brainoware a fost puţin mai puţin precis decât reţelele neuronale artificiale cu o unitate de memorie pe termen scurt - dar aceste reţele au fost supuse fiecare la 50 de epoci de antrenament.
Brainoware a obţinut aproape aceleaşi rezultate în mai puţin de 10% din timpul de antrenament.
„Datorită plasticii şi adaptabilităţii ridicate a organoizilor, Brainoware are flexibilitatea de a se schimba şi reorganiza ca răspuns la stimularea electrică, evidenţiind capacitatea sa de calcul adaptiv", scriu cercetătorii într-un articol în Nature.
Experimentele anterioare au arătat că doar culturile bidimensionale de celule neuronale sunt capabile să îndeplinească sarcini similare, dar aceasta este prima dată când s-a demonstrat acest lucru într-un organoid cerebral tridimensional.
Există încă limitări semnificative, inclusiv problema menţinerii organoizilor în viaţă şi sănătoşi, precum şi nivelurile de consum de energie ale echipamentelor periferice, dar, ţinând cont de considerentele etice, Brainoware are implicaţii nu doar pentru calcul, ci şi pentru înţelegerea misterelor creierului uman.
„S-ar putea să mai treacă decenii până când vor putea fi create sisteme generale de biocalculatoare, dar este posibil ca această cercetare să genereze informaţii fundamentale despre mecanismele de învăţare, dezvoltarea neuronală şi implicaţiile cognitive ale bolilor neurodegenerative", scriu Smirnova, Caffo şi Johnson.
Deşi este nevoie de mult mai multe cercetări, studiul confirmă unele idei teoretice cheie care ar putea face posibil, în cele din urmă, un computer biologic, spune Lena Smirnova, cercetător în domeniul neuroştiinţelor dezvoltării la Universitatea John Hopkins din Baltimore, Maryland.
De asemenea, ar putea ajuta la dezvoltarea unor modele preclinice de afectare cognitivă pentru a testa noi terapii.
Tehnologia ar putea fi folosită şi pentru a studia creierul, spune Arti Ahluwalia, inginer biomedical la Universitatea din Pisa, Italia, deoarece organoizii cerebrali pot reproduce arhitectura şi funcţia unui creier funcţional în moduri în care simplele culturi de celule nu o pot face.
Există potenţialul de a utiliza Brainoware pentru modelarea şi studierea tulburărilor neurologice, cum ar fi boala Alzheimer.
De asemenea, ar putea fi posibilă testarea efectelor şi a toxicităţii diferitelor tratamente prin observarea modului în care reacţionează organoizii.
„Aceasta este promisiunea: utilizarea acestora pentru a înlocui într-o zi, sperăm, modelele animale ale creierului", spune Ahluwalia.
Dar utilizarea celulelor vii pentru calcul nu este lipsită de probleme. Una dintre problemele majore este menţinerea organoizilor în viaţă. Celulele trebuie să fie cultivate şi întreţinute cu ajutorul incubatoarelor, lucru care va fi mai greu de realizat cu cât organoidele devin mai mari. Iar sarcinile tot mai complexe vor necesita „creiere" mai mari , spune Smirnova.
Pentru a dezvolta în continuare capacităţile Brainoware, cercetătorii spun că următorii paşi includ investigarea dacă şi cum pot fi adaptaţi organoizii cerebrali pentru a îndeplini sarcini mai complexe, precum şi ingineria acestora pentru a fi mai stabili şi mai fiabili.
Acest lucru va fi crucial dacă vor fi încorporate în microcipurile de siliciu utilizate în prezent în calculul modelelor AI.
Între timp, eforturile cercetătorilor de a crea cele mai rapide computere artificiale din lume încep să prindă roade.
Cercetătorii din Australia au anunţat în urmă cu câteva zile că primul supercomputer din lume la scara creierului uman va fi pus în funcţiune anul viitor.
Supercomputerul, denumit DeepSouth, este dezvoltat de Universitatea Western Sydney din Australia.
Când va fi online anul viitor, acesta va fi capabil să efectueze 228 de trilioane de operaţiuni sinaptice pe secundă.
Foto articol: Unul dintre organoizii din cadrul experimentului. (Cai et al., Nat. Electron., 2023).
