Es ist vielleicht schwer vorstellbar, aber ein Schweizer Unternehmen hat einen Computer erfunden, der aus lebenden menschlichen Gehirnzellen besteht und menschliche Gehirnneuronen zum Senden und Empfangen von Signalen sowie zur Datenverarbeitung verwendet. Diese gehirnähnlichen Organe können 100 Tage überleben und verbrauchen eine Million Mal weniger Energie als herkömmliche Prozessoren. Damit könnte die Energiekrise, die durch die explosionsartige Verbreitung von Sprachmodellen für künstliche Intelligenz entstanden ist, möglicherweise gelöst werden. Es scheint, dass künstliche neuronale Netzwerke noch immer nicht so effizient sind wie biologische neuronale Netzwerke.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler im Zuge der rasanten Entwicklung der künstlichen Intelligenz (KI) versucht, das menschliche Gehirn nachzuahmen, indem sie künstliche neuronale Netzwerke konstruierten, um die Rechenleistung zu verbessern. Da künstliche neuronale Netzwerke jedoch immer komplexer werden, steigt auch ihr Energiebedarf. Schätzungen zufolge werden sie bis 2030 3.5 % des weltweiten Stroms verbrauchen. Huang Renxun, der Gründer von NVIDIA, schätzte sogar, dass KI so viel Energie verbrauchen wird, wie 14 Erden verbrannt werden könnten.

Wissenschaftler haben nach Möglichkeiten gesucht, den Energieverbrauch der KI zu senken, und haben herausgefunden, dass unser Gehirn bereits eine fertige Lösung bietet: die Verwendung echter menschlicher Gehirnzellen zum Aufbau künstlicher neuronaler Netzwerke. Schließlich erfordert das Training von Sprachmodellen wie GPT-3 10 Gigawattstunden Energie, während das menschliche Gehirn nur 0.3 Kilowattstunden pro Tag benötigt, um 86 Milliarden Neuronen rund um die Uhr mit Strom zu versorgen.

Davon inspiriert nutzte ein Schweizer Startup-Unternehmen namens FinalSpark lebende Gehirnzellen als Computer-Array, verband sie mit Computern und schuf so eine neue Methode, die Biologie und Computertechnologie kombiniert: das biologische Computerplattform-System Neuroplatform. Dieses System verbraucht weitaus weniger Energie als herkömmliche bitbasierte Computer.

Die biologische Computerplattform von FinalSpark verbindet 16 im Labor gezüchtete menschliche Gehirnzellcluster, sogenannte Organoide, die jeweils in einem Array untergebracht und über acht Elektroden mit externen Systemen verbunden sind. Ein Mikrofluidsystem versorgt diese Organoide mit Wasser und Nährstoffen, damit sie ihre biologischen Funktionen aufrechterhalten können. Dieser Ansatz, bekannt als Wetware Computing, nutzt die Fähigkeiten von im Labor gezüchteten Organoiden – eine Technologie, die in den letzten Jahren aufgekommen ist und es Wissenschaftlern ermöglicht, Miniaturnachbildungen einzelner Organe zu untersuchen.

Vereinfacht ausgedrückt werden Nervenzellen in Kulturschalen gegeben und mithilfe von Neuronenwachstumsmedium gepflegt, sodass sie zu Gehirnbällen (frontalen Organoiden, FO) mit einem Durchmesser von 2.5 Millimetern heranwachsen. Diese werden dann auf ein Multielektrodenarray (MEA) aus acht Elektroden gelegt, die mit einem ferngesteuerten elektrophysiologischen Testsystem verbunden sind. Interaktionen und Steuerungen werden über eine angepasste Benutzeroberfläche oder Python-Skripte verwaltet.

Aber wie funktioniert die Berechnung? Der Schlüssel liegt in den acht Elektroden unter jeder Gehirnkugel. Wissenschaftler induzieren die Neuronenaktivität in den Organoiden, indem sie elektrische Reize unterschiedlicher Intensität und Frequenz anwenden, sie mit Dopamin belohnen und dann die elektrischen Signale der Neuronen aufzeichnen. Diese Signale werden zur Analyse und Verarbeitung an Computer übermittelt, ähnlich der Datenverarbeitung in künstlichen neuronalen Netzwerken.

Die biologische Computerplattform von FinalSpark besteht aus vier Multielektroden-Arrays, die mit 16 Gehirnorganoiden verbunden sind. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer dieser Organoide, die unter optimalen Bedingungen bis zu 100 Tage betragen kann, haben Wissenschaftler in den letzten drei Jahren über 1,000 Gehirnorganoide kultiviert und ersetzt und dabei mehr als 18 TB an Daten gesammelt.

FinalSpark ist natürlich nicht das erste Team, das versucht, Sonden mit biologischen Systemen zu verbinden. 2023 entwickelten Forscher in den USA einen Bioprozessor, der Computerhardware mit Gehirnorganoiden verbindet und ihm beibringt, Sprachmuster zu erkennen.

Derzeit wird die biologische Computerplattform von FinalSpark hauptsächlich für Forschungszwecke verwendet und steht externen akademischen Gruppen kostenlos zur Verfügung. Vier Projekte haben mithilfe der Plattform bereits bedeutende Ergebnisse erzielt. FinalSpark plant jedoch, die Fähigkeiten der Plattform zu erweitern, um ein breiteres Spektrum experimenteller Wetware-Computing-Protokolle zu verarbeiten, wie z. B. Tests durch Injektion von Molekülen und Medikamenten in Organoide. Dies bedeutet, dass die potenziellen Anwendungen dieser Technologie über energieeffizientere Computermethoden hinausgehen und auch die Organoidforschung voranbringen könnten.

Biocomputer aus menschlichem Gehirngewebe weisen gegenüber natürlichen Bauweisen gewisse Vorteile auf, insbesondere in Bezug auf die Energieeffizienz. Diese Forschung stellt nicht nur unser traditionelles Verständnis von Computertechnik und künstlicher Intelligenz in Frage, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Integration von Biologie und Technologie. Trotz ethischer Bedenken (die Studie verwendet kommerziell erhältliche etablierte Zelllinien, sodass keine ethische Genehmigung erforderlich ist) sind die potenziellen Vorteile dieser Biocomputertechnologie in Bezug auf Energieeffizienz und Rechenleistung unbestreitbar. Zukünftige Forschung wird weitere Anwendungsgebiete dieser Technologie aufzeigen, die bei der Bewältigung der globalen Energiekrise eine bedeutende Rolle spielen könnten.

Ich habe das Gefühl, dass dieser Computertyp komplexer sein könnte, als er scheint. Er könnte möglicherweise eine engere, wenn nicht nahtlose Integration zwischen dem menschlichen Gehirn und Computern ermöglichen und so eine neue Art fortschrittlicher biohybrider Menschen schaffen, die unveränderte Menschen weit hinter sich lassen. Steht die menschliche Evolution an einem kritischen Scheideweg? Was die Zukunft bringt, ist unbekannt, und diejenigen, die es wissen, gelten möglicherweise nicht mehr als Menschen.

Diese Forschung wurde am 2. Mai in der Zeitschrift Frontiers in Artificial Intelligence veröffentlicht.