Czy powstaną żywe komputery? Era organoidów już sie zaczęła

Spis treści:

1. Bioprocesory – jak naprawdę działają „żywe” komputery?
2. Start-upy już wykorzystują żywe neurony
3. Biologiczne komputery wciąż dalekie od ideału
4. Etyczne badania i medycyna bez testów na zwierzętach

W 2022 roku grupa australijskich naukowców przeprowadziła podstawową symulację gry Pong. Nikt z nich nie sterował wirtualną paletką, a mimo to, po kilku nieudanych próbach, paletka zaczęła poruszać się w górę i w dół ekranu, odbijając piłkę.

Dwuwymiarowa gra została połączona z klastrem ludzkich i mysich komórek mózgowych, hodowanych w laboratorium na szalce Petriego. Badacze „nauczyli” ten miniaturowy mózg, gdzie znajduje się piłka, nagradzając trafienia stymulacją elektryczną. Po około pięciu minutach komórki załapały zasady i zaczęły odbijać piłkę bez udziału człowieka.

– Ostatnie sukcesy dużych modeli językowych (LLM) wynikają z prób odwzorowania procesów zachodzących w mózgu – mówi Brett Kagan, dyrektor naukowy startupu Cortical Labs, który powstał na bazie tego eksperymentu. –Zwykłem powtarzać, że jeśli maszyna jest wystarczająco zaawansowana, trudno odróżnić ją od organizmu biologicznego. A co, jeśli do stworzenia inteligencji użyjemy właśnie biologii?

Eksperyment z Pongiem udowodnił, że neurony potrafią uczyć się i reagować na bodźce w czasie rzeczywistym – nawet w szalce Petriego. Rok później, w 2023 roku, Lena Smirnova, adiunktka w Szkole Zdrowia Publicznego Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, wspólnie z innymi badaczami przedstawiła wizję tzw. „inteligencji organoidowej” — nowej dziedziny nauki, która wykorzystuje ludzkie i zwierzęce hodowle komórek mózgowych jako biologiczne komputery. Organoidy uczą się szybciej, adaptują się w czasie rzeczywistym i zużywają bardzo mało energii.

Bioprocesory – jak naprawdę działają „żywe” komputery?

Urządzenia, których dziś używamy — od telefonów po laptopy — opierają się na chipach krzemowych, w których pracują miliardy tranzystorów. Każdy z nich przetwarza dane w systemie wejście-wyjście, przekazując je dalej. Ich połączenie pozwala na wykonywanie złożonych operacji, jak np. te wykorzystywane przez współczesne chatboty.

Tymczasem jednostki organoidalne, zwane bioprocesorami, współpracują z tradycyjnym chipem. W ich wnętrzu neurony tworzą sieci synaps. Brak stałego okablowania sprawia, że struktura sieci zmienia się i organizuje samoczynnie, w miarę postępów w uczeniu się. Neurony przesyłają informacje jednocześnie za pomocą impulsów elektrycznych i sygnałów chemicznych — inaczej niż zwykłe komputery.

– To raczej sieć zdolna do ciągłej adaptacji niż statyczna płytka drukowana o z góry ustalonym układzie– dodaje Smirnova.

Mózg ludzki jest nie tylko plastyczny, ale także niesamowicie energooszczędny. Na przykład trening modelu generatywnego AI, takiego jak GPT-3, zużywa około 1300 megawatogodzin energii elektrycznej – tyle, ile zużywa około 130 amerykańskich domów rocznie. Mózg potrzebuje zaledwie ułamka tej energii – nie więcej niż zwykła żarówka (ok. 20–30 W), by wykonać porównywalne zadania. Badania z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa sugerują, że biokomputery mogą ograniczyć zużycie energii przez sztuczną inteligencję nawet od miliona do 10 miliardów razy.

– Rozwój dużych organoidów i ich wykorzystanie w energooszczędnych sieciach neuronowych może pomóc w obsłudze złożonych modeli bez negatywnego wpływu na klimat – mówi Ben Ward-Cherrier, neurobiolog z Uniwersytetu w Bristolu.

Start-upy już wykorzystują żywe neurony

To nie jest już tylko futurystyczna wizja. Wokół „żywych komputerów” powstaje nowa branża startupów.

Szwajcarska firma FinalSpark oferuje platformę Neuroplatform, która umożliwia zdalne prowadzenie eksperymentów na klastrze organoidów za 1000 dolarów miesięcznie. Każdy organoid jest połączony z ośmioma elektrodami i podłączony do klasycznego komputera. Badacze mogą za pomocą specjalnego oprogramowania stymulować neurony, monitorować ich reakcje i nagradzać je dopaminą czy serotoniną, by trenować je do zadań obliczeniowych.

Z kolei Cortical Labs sprzedaje własne jednostki bioprocesorowe za 35 000 dolarów. Przypominają one urządzenia z filmów science fiction – duże szklano-metalowe pojemniki z systemami podtrzymującymi życie, jak filtracja, kontrola temperatury i odprowadzanie odpadów. Pozwalają utrzymać komórki mózgowe przy życiu nawet przez pół roku. W ostatnich latach naukowcy zaczęli wykorzystywać te biologiczne komputery do eksperymentów.

Zespół Ward-Cherriera z Bristolu integruje organoidy z robotami, ucząc je działania w terenie. Korzystając z platformy Neuroplatform, zespół opracował system, który m.in. odczytuje znaki Braille’a z dokładnością 83%.

Każda litera została zakodowana w impulsy elektryczne, które neurony rozpoznają. W przyszłości naukowcy planują nauczyć roboty wykonywania poleceń ruchowych w odpowiedzi na konkretne bodźce. To umiejętność, która może pomóc maszynom w lepszym rozumieniu otoczenia.

Biologiczne komputery wciąż dalekie od ideału

Na razie komputery oparte na komórkach mózgowych są dalekie od zastąpienia procesorów w laptopach. Po pierwsze, używane komórki są bardzo niedojrzałe. Brakuje im zorganizowanej architektury dorosłego mózgu, przez co nie są w stanie wykonywać zaawansowanych zadań poznawczych. Potrafią jednak uczyć się podstawowych zadań i wykazywać proste formy pamięci.

Dodatkowo, każdy organoid zachowuje się inaczej, a utrzymanie ich przy życiu przez dłuższy czas to wciąż wyzwanie. Smirnova przyznaje, że obecnie komórkowe komputery nie nadają się do realizacji zadań na szeroką skalę. Ich niedojrzałość to jednak atut w badaniach – są bardziej elastyczne.

Etyczne badania i medycyna bez testów na zwierzętach

W najbliższej przyszłości Smirnova i jej zespół planują wykorzystywać organoidy do lepszego zrozumienia i leczenia chorób neurologicznych. Choć nie są one jeszcze wystarczająco zaawansowane, by przetwarzać skomplikowane dane, stają się realną i bardziej etyczną alternatywą dla testów na zwierzętach.

Wkrótce możliwe będzie hodowanie organoidów z komórek macierzystych pacjenta i testowanie na nich konkretnych leków – bez szkody dla ludzi i zwierząt. Można będzie też badać toksyczność nowych związków chemicznych.

Profesor Kyle Wedgwood z Instytutu Systemów Żywych Uniwersytetu w Exeter wykorzystuje Neuroplatform do badań nad przywracaniem pamięci utraconej w wyniku chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera. – Te badania stworzą fundamenty dla inteligentnych, wszczepialnych biotechnologii, które mogą łagodzić skutki chorób neurodegeneracyjnych – mówi Wedgwood.

Wraz ze wzrostem złożoności tych „mini-mózgów” rośnie też potrzeba odpowiedzi na pytania o ich świadomość i etykę badań, zwłaszcza w kontekście odczuwania bólu. Smirnova już teraz pracuje nad wprowadzeniem przepisów podobnych do tych obowiązujących w badaniach na zwierzętach. Obejmują one m.in. ograniczenia wieku organoidów,o typów możliwych eksperymentów, źródła komórek oraz wymagania dotyczące zgody dawców w przypadku ludzkiego materiału.

– Najważniejsze jest to, że działamy ostrożnie i z pełną świadomością, zanim jakakolwiek „czująca” tkanka mózgowa stanie się rzeczywistością – podkreśla Smirnova.

Źródło: National Geographic