Het is misschien moeilijk voor te stellen, maar een Zwitsers bedrijf heeft een computer uitgevonden die is gemaakt van levende menselijke hersencellen en die menselijke hersenneuronen gebruikt om signalen te verzenden, te ontvangen en gegevens te verwerken. Deze hersenachtige organen kunnen 100 dagen overleven en verbruiken 1 miljoen keer minder energie dan traditionele processors, waardoor mogelijk de energiecrisis kan worden opgelost die wordt veroorzaakt door de explosie van taalmodellen voor kunstmatige intelligentie. Het lijkt erop dat kunstmatige neurale netwerken nog steeds niet zo efficiënt zijn als biologische neurale netwerken.

Met de snelle ontwikkeling van kunstmatige intelligentie (AI)-technologie hebben wetenschappers de afgelopen jaren geprobeerd het menselijk brein na te bootsen door kunstmatige neurale netwerken te bouwen om de computercapaciteiten te verbeteren. Naarmate kunstmatige neurale netwerken echter steeds complexer worden, groeit ook de energie die ze nodig hebben. Er wordt geschat dat zij in 2030 3.5% van de mondiale elektriciteit zullen verbruiken. Huang Renxun, de oprichter van NVIDIA, suggereerde zelfs dat AI de energie nodig heeft die overeenkomt met het verbranden van 14 aardes.

Wetenschappers hebben gezocht naar manieren om het energieverbruik van AI te verminderen en ontdekten dat onze hersenen al een kant-en-klare oplossing hebben: het gebruik van echte menselijke hersencellen om kunstmatige neurale netwerken te construeren. Het trainen van taalmodellen zoals GPT-3 vereist immers 10 gigawattuur aan energie, terwijl het menselijk brein slechts 0.3 kilowattuur per dag nodig heeft om 86 miljard neuronen die 24 uur per dag werken van stroom te voorzien.

Hierdoor geïnspireerd, gebruikte een Zwitsers startend bedrijf genaamd FinalSpark levende hersencellen als een computerarray, verbond ze met computers en creëerde een nieuwe methode die biologie en computertechnologie combineert: het biologische computerplatform Neuroplatform-systeem. Dit systeem verbruikt veel minder energie dan traditionele bitgebaseerde computers.

Het biologische computerplatform van FinalSpark verbindt 16 in het laboratorium gekweekte menselijke hersencelclusters, ook wel organoïden genoemd, elk ondergebracht in een array en via acht elektroden gekoppeld aan externe systemen. Een microfluïdisch systeem voorziet deze organoïden van water en voedingsstoffen om hun biologische functies in stand te houden. Deze aanpak, bekend als wetware computing, maakt gebruik van de mogelijkheden van in laboratoria gekweekte organoïden – een technologie die de afgelopen jaren is ontstaan ​​en waardoor wetenschappers miniatuurreplica's van individuele organen kunnen bestuderen.

Simpel gezegd worden neurale cellen in kweekschalen geplaatst en gevoed met behulp van neuronengroeimedium, waardoor ze uitgroeien tot hersenballen (frontale organoïden, FO) met een diameter van 2.5 millimeter. Deze worden vervolgens op een multi-elektrode-array (MEA) geplaatst, bestaande uit acht elektroden, die zijn aangesloten op een op afstand toegankelijk elektrofysiologisch testsysteem. Interacties en bedieningselementen worden beheerd via een aangepaste gebruikersinterface of Python-scripts.

Maar hoe wordt dit berekend? De sleutel ligt in de acht elektroden onder elke hersenbal. Wetenschappers induceren neuronactiviteit binnen de organoïden door elektrische stimuli van variërende intensiteit en frequentie toe te passen, te belonen met dopamine, en vervolgens de elektrische signalen van neuronen op te nemen. Deze signalen worden voor analyse en verwerking naar computers verzonden, vergelijkbaar met de gegevensverwerking in kunstmatige neurale netwerken.

Het biologische computerplatform van FinalSpark beschikt over vier arrays met meerdere elektroden die zijn verbonden met 16 hersenorganoïden. Vanwege de beperkte levensduur van deze organoïden, die onder optimale omstandigheden tot 100 dagen kan duren, hebben wetenschappers de afgelopen drie jaar meer dan 1,000 hersenorganoïden gekweekt en vervangen, waarbij ze meer dan 18 TB aan gegevens hebben verzameld.

Natuurlijk is FinalSpark niet het eerste team dat probeert sondes aan biologische systemen te koppelen. In 2023 ontwikkelden onderzoekers in de Verenigde Staten een bioprocessor die computerhardware verbindt met hersenorganoïden en deze leerde spraakpatronen te herkennen.

Momenteel wordt het biologische computerplatform van FinalSpark voornamelijk gebruikt voor onderzoeksdoeleinden en is het gratis beschikbaar voor externe academische groepen. Vier projecten hebben al aanzienlijke resultaten geboekt met behulp van het platform. FinalSpark is echter van plan de mogelijkheden van het platform uit te breiden om een ​​breder scala aan experimentele protocollen voor wetware computing te kunnen verwerken, zoals testen door moleculen en medicijnen in organoïden te injecteren. Dit impliceert dat de potentiële toepassingen van deze technologie verder reiken dan energie-efficiëntere computermethoden en ook het onderzoek naar organoïden zouden kunnen bevorderen.

Biocomputers gemaakt van menselijk hersenweefsel vertonen bepaalde superioriteiten die inherent zijn aan natuurlijk ontwerp, vooral op het gebied van energie-efficiëntie. Dit onderzoek daagt niet alleen ons traditionele begrip van computers en kunstmatige intelligentie uit, maar opent ook nieuwe mogelijkheden voor de integratie van biologie en technologie. Ondanks ethische overwegingen (de studie maakt gebruik van in de handel verkrijgbare gevestigde cellijnen, dus er is geen ethische goedkeuring vereist), zijn de potentiële voordelen van deze biocomputertechnologie op het gebied van energie-efficiëntie en rekencapaciteit onmiskenbaar. Toekomstig onderzoek zal meer toepassingen van deze technologie aan het licht brengen, die een belangrijke rol kunnen spelen bij het aanpakken van de mondiale energiecrisis.

Ik denk dat dit type computer wellicht complexer is dan het lijkt. Het zou mogelijk een nauwere, zo niet naadloze, integratie tussen het menselijk brein en computers mogelijk kunnen maken, waardoor een nieuw type geavanceerde biohybride mensen zou ontstaan, waardoor de ongemodificeerde mens ver achter zich zou laten. Heeft de menselijke evolutie een cruciaal kruispunt bereikt? Wat de toekomst in petto heeft, is onbekend, en degenen die het weten, worden mogelijk niet langer als menselijk beschouwd.

Dit onderzoek werd op 2 mei gepubliceerd in het tijdschrift Frontiers in Artificial Intelligence.