Cercetătorii au construit un biocomputer hibrid care combină un țesut cerebral uman cultivat în laborator cu circuite convenționale de calculator și care poate îndeplini sarcini precum recunoașterea vocii, scrie 360medical.ro.
În prezent, nu există niciun computer care să fie nici pe departe la fel de puternic și de complex cum este creierul uman.
Fragmentele de țesut din interiorul craniului nostru pot procesa informații în cantități și 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 operații matematice pe secundă, cu o putere de doar 20 de wați.
Cheia succesului creierului este eficiența neuronilor de a servi ca procesoare și ca dispozitive de memorie, spre deosebire de unitățile 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 țesutului cerebral uman real, actual, cu electronica.
Acum, un sistem care integrează celule cerebrale într-o mașină hibridă poate îndeplini sarcini precum recunoașterea vocii.
Acest „biocomputer” combină țesutul cerebral cultivat în laborator cu componentele electronice ale unui calculator.
Biocomputerul se numește Brainoware și funcționează.
Acesta încorporează organoizi cerebrali – mănunchiuri de celule umane care imită țesuturi și care sunt folosite în cercetare pentru a modela organe.
Organoizii sunt realizați 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 conține mii de electrozi pentru a conecta creierul la circuitele electrice.
Apoi, au tradus informațiile pe care au dorit să le introducă într-un model de impulsuri electrice pe care le transmit organidului.
Răspunsul țesutului cerebral este preluat de un senzor și „decodificat” cu ajutorul unui algoritm de învățare automată care poate identifica informațiile 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 recunoașterea vorbirii și predicția ecuațiilor neliniare.
Pentru a testa capacitățile Brainoware, echipa a folosit o tehnică de recunoaștere 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 reacționat diferit la fiecare voce, generând un model diferit de activitate neuronală.
AI a învățat să interpreteze aceste răspunsuri pentru a identifica vorbitorul. După antrenament, sistemul a putut identifica vocile cu o precizie de 78%.
Acesta a fost puțin mai puțin precis decât un computer pur hardware care funcționează pe baza inteligenței artificiale (AI), dar cercetarea demonstrează un prim pas important într-un nou tip de arhitectură de calculator.
Cercetarea urmărește să construiască „o punte de legătură între inteligența artificială și organoizi”, spune coautorul studiului, Feng Guo, bioinginer la Universitatea Bloomington.
Atât AI, cât și creierul se bazează pe transmiterea de semnale în jurul unei rețele de noduri interconectate, cunoscută sub numele de rețea neuronală.
„Ne-am pus întrebarea dacă putem folosi rețeaua 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 inteligență artificială (AI) sau ar putea sta la baza unor modele îmbunătățite ale creierului în cercetarea în domeniul neuroștiințelor și bolilor neurologice.
Echipa a respectat recomandările privind etica în dezvoltarea Brainoware, totuși, mai mulți cercetători de la Universitatea Johns Hopkins notează, într-un articol conex din revista Nature Electronics, importanța de a ține cont de considerațiile etice în timp ce această tehnologie se extinde în continuare.
„Pe măsură ce sofisticarea acestor sisteme organoide crește, este esențial ca și comunitatea științifică să examineze multitudinea de probleme neuroetice care înconjoară sistemele de bioinformatică ce încorporează țesut neuronal uman”, avertizează Lena Smirnova, Brian Caffo și Erik C. Johnson, care nu au fost implicați în studiu.
O diagramă care ilustrează modul în care funcționează Brainoware. (Cai et al., Nat. Electron., 2023)
Creierul uman este oarecum uimitor. Acesta conține aproximativ 86 de miliarde de neuroni, în medie, și până la un cvadrilion de sinapse.
Fiecare neuron este conectat la până la 10.000 de alți neuroni, care se aprind în mod constant și comunică între ei.
Până în prezent, cel mai bun efort de a simula activitatea creierului într-un sistem artificial reprezintă doar vârful aisbergului din performanța 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 și 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 conectați prin 10,4 trilioane de sinapse – aproximativ doar unul până la două procente din creier.
În ultimii ani, oamenii de știință și inginerii au încercat să se apropie de capacitățile creierului prin proiectarea de sisteme hardware și algoritmi care să-i imite structura și modul de funcționare.
Cunoscută sub numele de calcul neuromorfic, această metodă se îmbunătățește, dar necesită multă energie, iar antrenarea rețelelor neuronale artificiale necesită mult timp.
De la stânga la dreapta, sus: Organoizi ai creierului uman la 7 zile, 14 zile, 28 de zile și 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 țesut 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 și structuri.
Acestea nu sunt creiere adevărate, ci simple aranjamente de țesut fără nimic asemănător cu gândirea, emoția sau conștiința, spun autorii. Ele sunt utile pentru a studia modul în care se dezvoltă și funcționează creierul, fără a fi nevoie de a scotoci în creierul unui om adevărat.
Brainoware constă în organoizi cerebrali conectați la o matrice de microelectrozi de mare densitate, folosind un tip de rețea neuronală artificială cunoscută sub numele de „reservoir computing” (rezervor computațional).
Stimularea electrică transportă informații în organoid, rezervorul în care aceste informații sunt procesate înainte ca Brainoware să își expună calculele sub formă de activitate neuronală.
Pentru straturile de intrare și de ieșire se utilizează sisteme electronice standard de calculator.
Aceste straturi au trebuit să fie antrenate pentru a funcționa cu organoidul, cu stratul de ieșire care citește datele neuronale și face clasificări sau predicții 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 și 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 reușit să identifice vorbitorul cu o precizie de 78%.
Un exemplu al unuia dintre organoizi și 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 învețe nesupravegheat timp de patru zile – fiecare zi reprezentând o epocă de antrenament – și au constatat că a fost capabil să prezică harta cu o precizie mai bună decât o rețea neuronală artificială fără o unitate de memorie pe termen scurt.
Brainoware a fost puțin mai puțin precis decât rețelele neuronale artificiale cu o unitate de memorie pe termen scurt – dar aceste rețele au fost supuse fiecare la 50 de epoci de antrenament.
Brainoware a obținut aproape aceleași rezultate în mai puțin de 10% din timpul de antrenament.
„Datorită plasticii și adaptabilității ridicate a organoizilor, Brainoware are flexibilitatea de a se schimba și reorganiza ca răspuns la stimularea electrică, evidențiind 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 menținerii organoizilor în viață și sănătoși, precum și nivelurile de consum de energie ale echipamentelor periferice, dar, ținând cont de considerentele etice, Brainoware are implicații nu doar pentru calcul, ci și pentru înțelegerea 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 informații fundamentale despre mecanismele de învățare, dezvoltarea neuronală și implicațiile cognitive ale bolilor neurodegenerative”, scriu Smirnova, Caffo și Johnson.
Deși 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 neuroștiințelor 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 și pentru a studia creierul, spune Arti Ahluwalia, inginer biomedical la Universitatea din Pisa, Italia, deoarece organoizii cerebrali pot reproduce arhitectura și funcția unui creier funcțional în moduri în care simplele culturi de celule nu o pot face.
Există potențialul de a utiliza Brainoware pentru modelarea și studierea tulburărilor neurologice, cum ar fi boala Alzheimer.
De asemenea, ar putea fi posibilă testarea efectelor și a toxicității diferitelor tratamente prin observarea modului în care reacționează 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 menținerea organoizilor în viață. Celulele trebuie să fie cultivate și întreținute 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 capacitățile Brainoware, cercetătorii spun că următorii pași includ investigarea dacă și cum pot fi adaptați organoizii cerebrali pentru a îndeplini sarcini mai complexe, precum și ingineria acestora pentru a fi mai stabili și 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 anunțat în urmă cu câteva zile că primul supercomputer din lume la scara creierului uman va fi pus în funcțiune 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 operațiuni sinaptice pe secundă.
Foto articol: Unul dintre organoizii din cadrul experimentului. (Cai et al., Nat. Electron., 2023).