16 organoidów mózgu połączonych w biokomputer

Naukowcy od lat próbują stworzyć system naśladujący ludzki mózg, jako rodzaj komputera o zwiększonej mocy przetwarzania. Ale im bardziej wyrafinowane i potężniejsze stają się sztuczne sieci neuronowe, tym więcej energii zużywają. W niedawnej publikacji, która ukazała się na łamach pisma "Frontiers in Artificial Intelligence" (DOI: 10.3389/frai.2024.1376042), szwajcarscy naukowcy opisali żywy biokomputer, składający się z 16 połączonych ze sobą organoidów mózgu, który zużywa znacznie mniej energii niż tradycyjne komputery.

Organoidy to hodowane w laboratorium malutkie wersje różnych narządów, które zachowują kluczowe cechy anatomiczne pełnowymiarowych organów. Takie trójwymiarowe modele są nieocenioną pomocą w badaniach, w których użycie żywych narządów jest niemożliwe lub nieetyczne. Dzięki organoidom naukowcy uzyskują żywy narząd do testowania różnych koncepcji. Chodzi tu chociażby o testowanie reakcji na leki lub obserwowanie rozwoju w niesprzyjających warunkach. Badania na organoidach dają naukowcom szansę dogłębnego poznania narządów i zrozumienia przyczyn wielu chorób.

Organoidy hoduje się z komórek macierzystych, które mogą różnicować się w różne typy komórek. W tym przypadku zostały przekształcone w neurony, podobne do tych występujących w naszych mózgach. Zarówno sztuczna inteligencja, jak i mózg polegają przede wszystkim na przekazywaniu sygnałów przez sieć neuronową. Naukowcy ze szwajcarskiego startupu FinalSpark chcieli sprawdzić, czy organoidy mózgu można połączyć ze sobą i wykorzystać jako biokomputer.

Według badaczy, biokomputer składający się z żywych neuronów zdolnych do uczenia się i przetwarzania informacji, zużywa milion razy mniej energii niż tradycyjne procesory cyfrowe, co potencjalnie zmniejsza wpływ na środowisko związany ze stale rosnącym wykorzystaniem komputerów. Te organoidy komunikują się ze sobą jak układy scalone. Wysyłają i odbierają wiadomości za pośrednictwem neuronów, działających jak obwody, ale zużywając znacznie mniej energii. Tego typu biokomputery mają potencjał, aby całkowicie przekształcić energochłonne centra danych.

Ludzki mózg jest bardziej wydajny niż najlepsze superkomputery. Mózg potrzebuje od 10 do 20 watów, aby wykonać tę samą ilość pracy, co komputer Frontier firmy Hewlett Packard Enterprise, który do tego potrzebuje 21 megawatów.

Eksperymentalny biokomputer to architektura, którą można sklasyfikować jako wetware: mieszaninę sprzętu, oprogramowania i biologii. Składa się z 16 organoidów umieszczonych na czterech platformach połączonych elektrodami. Całość zamknięta jest w systemie mikroprzepływowym, który dostarcza komórkom wodę i składniki odżywcze i utrzymuje je w odpowiedniej temperaturze.

Dane przesyłane są tam i z powrotem za pośrednictwem przetworników cyfrowo-analogowych z częstotliwością próbkowania 30 kHz i rozdzielczością 16-bitową. Wszystko to pod bacznym okiem systemu monitorującego. Specjalne oprogramowanie pozwala badaczom wprowadzać zmienne i odczytywać oraz interpretować dane wyjściowe.

Organoidy zawierają około 10 tys. neuronów i żyją około 100 dni, ale potem można je wymienić. Są trenowane przy pomocy dopaminy — gdy wykonują zadania poprawnie, otrzymują strumień substancji chemicznej jako nagrodę. Elektrody mierzą na bieżąco aktywność w organoidach. Badacze mogą też przez nie przesyłać prąd, aby wpłynąć na neuron. To sprawia, że elektrody pełnią podwójną rolę: stymulują organoidy i rejestrują przetwarzane przez nie dane.

Chociaż nie podano żadnych informacji na temat zużycia energii ani mocy obliczeniowej 16 połączonych organoidów, to zespół badawczy z FinalSpark twierdzi, że wytrenowanie pojedynczego dużego modelu językowego, takiego jak chociażby GPT-3, prekursor GPT-4, wymagało 10 gigawatogodzin, czyli około 6000 razy więcej energii niż zużywa jeden obywatel Europy w ciągu roku. Tymczasem ludzki mózg obsługuje swoje blisko 100 miliardów neuronów, wykorzystując jedynie ułamek tej energii – około 0,3 kilowatogodziny dziennie.

Trendy technologiczne wskazują, że rozwijający się przemysł sztucznej inteligencji będzie zużywał 3,5 procent globalnej energii elektrycznej do 2030 roku. Już teraz cały przemysł IT odpowiada za około 2 procent globalnej emisji CO2. Z tego powodu konieczne staje się znalezienie sposobów na zwiększenie energooszczędności komputerów, a synergia między siecią komórek mózgowych a obwodami obliczeniowymi jest oczywistym przykładem.

Obecne badania to nie pierwsze próby stworzenia biokomputerów. W ubiegłym roku naukowcy w Stanach Zjednoczonych zbudowali bioprocesor, który łączył sprzęt komputerowy z organoidami mózgu. System ten nauczył się rozpoznawać wzorce mowy (Więcej na ten temat w tekście: Organoidy ludzkiego mózgu połączone z komputerem).

- Jedną z największych zalet obliczeń biologicznych jest to, że neurony obliczają informacje przy znacznie mniejszym zużyciu energii niż komputery cyfrowe — przyznała Ewelina Kurtys, doradca strategiczny FinalSpark. - Szacuje się, że żywe neurony mogą zużywać ponad milion razy mniej energii niż obecne procesory cyfrowe, których używamy - dodała.

Firma FinalSpark umożliwiła zdalny dostęp do swojego systemu opartego na organoidach. Obecnie korzystają z niego uczelnie, prowadząc na organoidach różnorakie eksperymenty.

Źródło: Science Alert, Tom's Hardware, fot. Unsplash/ Steve Johnson/ CC0