Исследователи разрабатывают «биокомпьютеры» на основе органоидов мозга

Хотя искусственный интеллект иногда обладает впечатляющими возможностями, человеческий мозг остается непревзойденным. Он способен выполнять несколько задач одновременно, лучше принимает сложные логические решения и требует гораздо меньше энергии, чем алгоритмы машинного обучения. Чтобы преодолеть эти различия, исследователи из Университета Джона Хопкинса пытаются создать «биокомпьютеры» на основе органоидов мозга.

Ученые выращивают органоиды в лаборатории уже почти два десятилетия. Эти миниатюрные органы, имитирующие структуру и функции настоящих человеческих органов, очень полезны для медицинских исследований: они помогают лучше понять органы и болезни, которые их поражают, позволяют испытывать новые лекарства или проводить различные эксперименты. Томас Хартунг, профессор наук о здоровье окружающей среды в Блумбергской школе общественного здравоохранения Джона Хопкинса, и его коллеги особенно заинтересованы в органоидах мозга.

Используя клетки кожи человека, перепрограммированные в стволовые клетки, а затем в клетки мозга, они смогли создать первые функциональные «мини-мозги» в 2012 году. Каждый органоид содержит от 30 000 до 50 000 клеток — это примерно размер нервной системы плодовой мушки. Теперь они планируют построить компьютер на основе этих органоидов, чтобы использовать всю вычислительную мощь человеческого мозга. «Биоинформатика — это большая работа по сжатию вычислительной мощности и повышению ее эффективности для преодоления существующих технологических ограничений«, — сказал Хартунг.

Объем памяти каждого мозга оценивается в 2500 ТБ, в нем насчитывается от 86 до 100 миллиардов нейронов с более чем 10¹⁵ связями. Хотя человеческий мозг медленнее машин обрабатывает простую информацию, он значительно превосходит их в обработке сложной информации. Оказывается, мозг лучше обрабатывает небольшие и/или неопределенные данные и может выполнять как последовательную, так и параллельную обработку. В 2013 году четвертому по величине компьютеру в мире потребовалось 40 минут, чтобы смоделировать 1 секунду 1% мозговой активности человека, сообщают исследователи в журнале Frontiers in Science.

Хартунг и его коллеги сейчас рассматривают возможность использования необычайной вычислительной мощности и емкости памяти нашего мозга. Биокомпьютер, работающий на клетках человеческого мозга, экспоненциально расширит возможности современных вычислений. В частности, он сможет обрабатывать сложные вычисления быстрее, чем человеческий мозг, но с гораздо меньшим потреблением энергии.

В качестве примера Хартунг упоминает суперкомпьютер «Frontier», расположенный в Ок-Риджской национальной лаборатории: в июне 2022 года со скоростью обработки 1,1 exaFLOPS он стал самым быстрым суперкомпьютером в мире, впервые превысив вычислительные возможности человеческого мозга (производительность которого оценивается примерно в 1 exaFLOPS)… но потребляя в миллион раз больше энергии (21 МВт против 10-20 Вт)!

Эта новая область исследований, которую команда называет «органоидным интеллектом», требует преобразования существующих органоидов мозга в более сложные и прочные структуры, обогащенные несколькими типами клеток и генов, связанных с обучением и памятью. «Современные органоиды мозга содержат десятки тысяч клеток, но для поддержки сложных вычислений мы стремимся увеличить это число до 10 миллионов«, — говорят исследователи.

Также необходимо будет разработать искусственные кровеносные сосуды для поддержания жизни и здоровья органоидов. Использование микрофлюидических систем в этом случае не только обеспечит их выживание, но и позволит осуществлять коммуникацию посредством пространственно-временных химических сигналов.

Команда представляет себе сложные сетевые интерфейсы, в которых органоиды мозга будут подключены к датчикам, устройствам ввода/вывода нового поколения и системам машинного обучения. Они также будут связаны друг с другом и с сенсорными органоидами (например, органоидами сетчатки). Это, конечно, потребует разработки новых алгоритмов и коммуникационных интерфейсов.

«Эта технология обещает беспрецедентный прогресс в плане скорости вычислений, вычислительной мощности, эффективности данных и емкости хранилища, и все это при более низких требованиях к энергии«, — резюмируют исследователи. А для того, чтобы обеспечить этически и социально ответственное развитие этого органоидного интеллекта, в команду был включен разнообразный консорциум ученых, биоэтиков и представителей общественности.

Кроме того, эти исследования будут использованы не только для создания сверхмощных компьютеров, органоидный интеллект также может помочь выяснить патофизиологию нарушений нейроразвития и нейродегенерации (таких, как деменция или болезнь Паркинсона) и найти новые методы лечения. Это также прольет свет на некоторые особенности развития мозга, считающегося нейроатипичным.

«Инструменты, которые мы разрабатываем для биологических вычислений, — это те же самые инструменты, которые позволят нам понять изменения в нейронных сетях, характерные для аутизма, без использования животных или доступа к пациентам, понять глубинные механизмы, объясняющие, почему у пациентов возникают эти когнитивные проблемы и нарушения«, — объясняет Лена Смирнова, доцент кафедры экологического здоровья и инженерии в Университете Джона Хопкинса и первый автор исследования, представляющего эту новую область исследований.

Однако до появления биокомпьютеров на рынке должно пройти еще некоторое время. По словам Хартунга, могут пройти десятилетия, прежде чем органоидный интеллект сможет обеспечить работу системы, такой же интеллектуальной, как мышь. Но если усилия по разработке будут предприняты сейчас, то первые прототипы могут появиться уже при нашей жизни.