Może trudno to sobie wyobrazić, ale szwajcarska firma wynalazła komputer zbudowany z żywych ludzkich komórek mózgowych i wykorzystujący neurony ludzkiego mózgu do wysyłania, odbierania sygnałów i przetwarzania danych. Te narządy przypominające mózg mogą przetrwać 100 dni i zużywać energię 1 milion razy mniej niż tradycyjne procesory, potencjalnie rozwiązując kryzys energetyczny wywołany eksplozją modeli językowych sztucznej inteligencji. Wydaje się, że sztuczne sieci neuronowe wciąż nie są tak wydajne jak biologiczne sieci neuronowe.

W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem technologii sztucznej inteligencji (AI), naukowcy próbują naśladować ludzki mózg, konstruując sztuczne sieci neuronowe w celu zwiększenia możliwości obliczeniowych. Jednakże w miarę jak sztuczne sieci neuronowe stają się coraz bardziej złożone, zapotrzebowanie na energię również rośnie. Szacuje się, że do 2030 roku będą one zużywać 3.5% światowej energii elektrycznej. Huang Renxun, założyciel firmy NVIDIA, zasugerował nawet, że sztuczna inteligencja będzie potrzebować energii odpowiadającej spaleniu 14 Ziem.

Naukowcy szukali sposobów na zmniejszenie zużycia energii przez sztuczną inteligencję i odkryli, że nasze mózgi mają już gotowe rozwiązanie: wykorzystanie prawdziwych ludzkich komórek mózgowych do budowy sztucznych sieci neuronowych. W końcu modele językowe do nauki, takie jak GPT-3, wymagają 10 gigawatogodzin energii, podczas gdy ludzki mózg potrzebuje tylko 0.3 kilowatogodzin dziennie, aby zasilić 86 miliardów neuronów pracujących 24 godziny.

Zainspirowana tym szwajcarska firma startupowa FinalSpark wykorzystała żywe komórki mózgowe jako macierz obliczeniową, łącząc je z komputerami i tworząc nową metodę łączącą biologię i technologię obliczeniową: biologiczną platformę komputerową System Neuroplatform. System ten zużywa znacznie mniej energii niż tradycyjne komputery bitowe.

Biologiczna platforma komputerowa FinalSpark łączy 16 wyhodowanych w laboratorium skupisk ludzkich komórek mózgowych, zwanych organoidami, z których każdy jest umieszczony w układzie i połączony z systemami zewnętrznymi za pośrednictwem ośmiu elektrod. System mikroprzepływowy zaopatruje te organoidy w wodę i składniki odżywcze w celu podtrzymania ich funkcji biologicznych. Podejście to, znane jako przetwarzanie mokre, wykorzystuje możliwości organoidów hodowanych w laboratorium — technologię, która pojawiła się w ostatnich latach i umożliwia naukowcom badanie miniaturowych replik poszczególnych narządów.

Mówiąc najprościej, komórki nerwowe umieszcza się w naczyniach hodowlanych i hoduje za pomocą pożywki wzrostowej neuronów, w wyniku której powstają kule mózgowe (organoidy czołowe, FO) o średnicy 2.5 milimetra. Następnie umieszcza się je na układzie wieloelektrodowym (MEA) składającym się z ośmiu elektrod, które są podłączone do zdalnie dostępnego systemu testów elektrofizjologicznych. Interakcjami i sterowaniem zarządza się poprzez dostosowany interfejs użytkownika lub skrypty w języku Python.

Ale jak to się oblicza? Klucz leży w ośmiu elektrodach znajdujących się pod każdą kulą mózgową. Naukowcy indukują aktywność neuronów w organoidach, stosując bodźce elektryczne o różnej intensywności i częstotliwości, nagradzając dopaminą, a następnie rejestrują sygnały elektryczne z neuronów. Sygnały te są przesyłane do komputerów w celu analizy i przetwarzania, podobnie jak przetwarzanie danych w sztucznych sieciach neuronowych.

Biologiczna platforma komputerowa FinalSpark składa się z czterech układów wieloelektrodowych podłączonych do 16 organoidów mózgowych. Ze względu na ograniczoną długość życia tych organoidów, która w optymalnych warunkach może trwać do 100 dni, w ciągu ostatnich trzech lat naukowcy wyhodowali i zastąpili ponad 1,000 organoidów mózgowych, zbierając ponad 18 TB danych.

Oczywiście FinalSpark nie jest pierwszym zespołem, który podjął próbę podłączenia sond do systemów biologicznych. W 2023 roku naukowcy ze Stanów Zjednoczonych opracowali bioprocesor, który łączy sprzęt komputerowy z organoidami mózgu i uczy go rozpoznawania wzorców mowy.

Obecnie biologiczna platforma komputerowa FinalSpark jest wykorzystywana przede wszystkim do celów badawczych i jest udostępniana bezpłatnie zewnętrznym grupom akademickim. Dzięki platformie cztery projekty osiągnęły już znaczące wyniki. FinalSpark planuje jednak rozszerzyć możliwości platformy, aby obsługiwała szerszą gamę eksperymentalnych protokołów obliczeniowych typu mokrego, takich jak testowanie poprzez wstrzykiwanie cząsteczek i leków do organoidów. Oznacza to, że potencjalne zastosowania tej technologii wykraczają poza bardziej energooszczędne metody obliczeniowe i mogą również przyczynić się do postępu w badaniach nad organoidami.

Biokomputery wykonane z ludzkiej tkanki mózgowej wykazują pewne zalety nieodłącznie związane z naturalną konstrukcją, szczególnie pod względem efektywności energetycznej. Badania te nie tylko podważają nasze tradycyjne rozumienie informatyki i sztucznej inteligencji, ale także otwierają nowe możliwości integracji biologii i technologii. Pomimo względów etycznych (w badaniu wykorzystano dostępne na rynku uznane linie komórkowe, w związku z czym nie jest wymagana żadna zgoda etyczna) potencjalne zalety tej technologii biokomputerowej w zakresie efektywności energetycznej i wydajności obliczeniowej są niezaprzeczalne. Przyszłe badania ujawnią więcej zastosowań tej technologii, która może odegrać znaczącą rolę w rozwiązaniu globalnego kryzysu energetycznego.

Wydaje mi się, że tego typu komputer może być bardziej skomplikowany, niż się wydaje. Może potencjalnie umożliwić bliższą, jeśli nie płynną, integrację ludzkiego mózgu z komputerami, tworząc nowy typ zaawansowanych ludzi biohybrydowych, pozostawiając niezmodyfikowanych ludzi daleko w tyle. Czy ewolucja człowieka osiągnęła krytyczne rozdroże? Nie wiadomo, co przyniesie przyszłość, a ci, którzy wiedzą, mogą nie być już uważani za ludzi.

Wyniki badania opublikowano 2 maja w czasopiśmie Frontiers in Artificial Intelligence.