×

Органоиды головного мозга. Источник. Авторы и права: Томас Хартунг, Университет Джона Хопкинса.

Несмотря на впечатляющий послужной список технологий искусственного интеллекта, с возможностями человеческого мозга их вычислительная мощность не выдерживает никакого сравнения. Сегодня учёные открывают революционный путь для развития вычислительной техники: так называемый органоидный интеллект (ОИ), где выращенные в лаборатории клетки мозга служат биологическим оборудованием

«Эта новая область биокомпьютинга обещает беспрецедентный прогресс в скорости вычислений, вычислительной мощности, эффективности данных и возможностях хранения ‒ и все это с более низкими потребностями в энергии», ‒ говорит доктор Бретт Каган, главный научный сотрудник Cortical Labs в Мельбурне, под чьим руководством осенью прошлого года реализован проект DishBrain, в котором 800 000 органоидов (клеток мозга человека) в чашке Петри научились играть в подобие тенниса.

Да, технология ИИ была вдохновлена именно человеческим мозгом, и за всеми её достижениями стоят наши попытки сымитировать работу живого органа. Но несмотря на то, что такой подход оказался не просто оправданным, а даже весьма успешным, тем не менее, нейромоделям всё ещё довольно далеко до оригинала ‒ по очень многим параметрам эффективность мозга остаётся для машин вне досягаемости. И, положа руку на сердце, мы находим в этом свои плюсы: например, благодаря огрехам технологии, мы можем довольно легко «доказать свою человечность» с помощью тривиальных онлайн-тестов изображений. Однако как бы консервативные выгоды не отворачивали человечество от жажды прогресса, рано или поздно победа остаётся за последним. И вот… Что, если нам ‒ вместо того, чтобы пытаться сделать ИИ более похожим на мозг, ‒ обратиться к первоисточнику? 

Учёные разных дисциплин работают над созданием революционных биокомпьютеров, в которых трёхмерные культуры клеток мозга, называемые мозговыми органоидами, служат биологическим оборудованием. Они описывают своё видение становления и развития этой технологии.  

«Мы называем эту новую междисциплинарную область «органоидным интеллектом» (ОИ), ‒ говорит профессор Томас Хартунг из Университета Джона Хопкинса. ‒ Сообщество ведущих учёных собралось для разработки этой технологии, которая, как мы полагаем, откроет новую эру быстрых, мощных и эффективных биокомпьютеров».   

Что такое мозговые органоиды и зачем из них делать хорошие компьютеры?  

Органоиды мозга представляют собой выращенную клеточную культуру. Несмотря на то, что сами эти органоиды не являются «мозгами в миниатюре», они имеют общие с мозгом ключевые функциональные и структурные аспекты. Это, например, нейроны и другие клетки мозга, которые необходимы для когнитивных функций вроде обучения и памяти. Кроме того, в то время как большинство клеточных культур плоские, органоиды имеют трёхмерную структуру. Это увеличивает плотность клеток культуры в 1000 раз, что само по себе ведёт к гораздо большему числу связей между нейронами. 

Однако наблюдательный человек может задать вопрос: даже если эти органоиды ‒ хорошая имитация мозга, стоит ли из них делать компьютеры будущего, ведь сегодняшние быстрее мозга уже сейчас?  

«Хотя компьютеры на основе кремния, безусловно, лучше справляются с числами, мозг лучше обучается, ‒ поясняет профессор Хартунг. ‒ Например, AlphaGo [ИИ, победивший в 2017 году чемпиона мира по игре в Го] был обучен на данных из 160 000 игр. Человеку пришлось бы играть по пять часов в день на протяжении более 175 лет, чтобы испытать столько игр». 

Мозг не только лучше обучается, но и более энергоэффективен, подчёркивают исследователи. Например, количество энергии, потраченной на обучение AlphaGo, больше, чем необходимо для поддержания активного взрослого человека в течение десяти лет

«Мозг также обладает удивительной способностью хранить информацию, которая оценивается в 2500 ТБ, ‒ добавляет Хартунг. ‒ Мы приближаемся к физическим пределам кремниевых компьютеров, потому что не можем упаковать больше транзисторов в крошечный чип. Но мозг устроен совершенно по-другому. В нем около 100 миллиардов нейронов, связанных более чем 1015 точками соединения. Это огромная разница в мощности по сравнению с нашей нынешней технологией». 

Как будут выглядеть биокомпьютеры? 

По словам профессора, для создания полноценного ОИ существующие мозговые органоиды необходимо масштабировать. Причём ‒ довольно значительно.

«Они слишком малы, ‒ поясняет он, ‒ каждый содержит около 50 000 клеток. Для ОИ нам нужно было бы увеличить это число до 10 миллионов». 

Параллельно авторы исследования также разрабатывают технологии для отправки органоидам информации и/или команд и получения обратной связи от них ‒ то есть считывания того, что они «думают». Для реализации такого вида общения планируется адаптировать уже имеющиеся инструменты из различных научных дисциплин, ‒ первыми из которых, конечно, станут биоинженерия и машинное обучение, ‒ а также разработать новые устройства для стимуляции и записи. Начало этим изысканием уже положено в 2022. Как раз благодаря созданному тогда прототипу и удалось научить органоиды играть в пинг-понг.

«Мы разработали устройство интерфейса мозг-компьютер, которое представляет собой своего рода шапку ЭЭГ для органоидов, которую мы представили в статье, опубликованной в августе прошлого года. Это гибкая оболочка, плотно покрытая крошечными электродами, которые могут как улавливать сигналы от органоида, так и передавать сигналы ему», ‒ рассказывает Хартунг.  

Это была первая ласточка, но уже спустя всего полгода авторы предполагают, что в ОИ будет интегрирован довольно широкий спектр инструментов для стимуляции и записи. И дело не просто в интерфейсе по обеспечению манипуляций типа «человек ‒компьютер»: эти средства «общения» также будут управлять взаимодействием между сетями взаимосвязанных органоидов для реализации более сложных вычислений.  


Органоидный интеллект может помочь предотвратить и лечить неврологические заболевания

Перспективы ОИ выходят за рамки вычислений и касаются также наболевших медицинских вопросов. Благодаря новаторской методике, разработанной лауреатами Нобелевской премии Джоном Гердоном и Шинья Яманака, органоиды мозга могут быть получены из тканей взрослого человека. Это означает, что учёные могут выращивать персонализированные органоиды мозга из образцов кожи пациентов, страдающих нервными расстройствами, как, например, болезнь Альцгеймера. В последствии с этими материалами можно проводить тесты почти любой сложности, чтобы выяснить, как генетические факторы, лекарства и токсины влияют на состояние мозга пациента. 

«С помощью ОИ мы могли бы также изучать когнитивные аспекты неврологических состояний, ‒ развивает мысль Хартунг. ‒ «Например, мы могли бы сравнить формирование памяти в органоидах, полученных от здоровых людей и от пациентов с болезнью Альцгеймера, и попытаться восстановить относительные дефициты. Мы также могли бы использовать ОИ, чтобы проверить, вызывают ли определённые вещества, такие как пестициды, проблемы с памятью или обучением ». 

Принимая во внимание этические соображения 

Однако, не всё так просто. Чем новый органоидный интеллект на базе биокомпьютера будет отличаться от головы профессора Доуэля? Тем, что персонаж Александра Беляева сам согласился на такую участь? При всей фантастичности примера, этот вопрос не столь риторичен, как может показаться на первый взгляд. Поскольку прогресс неумолим, человечеству уже сейчас стоит озаботиться выработкой соответствующей нашим ценностям парадигмы дозволенного. Рано или поздно, создание группы клеток человеческого мозга, которые также, как он смогут учиться, запоминать и взаимодействовать с окружающей средой, поднимет сложные этические вопросы.

Например, могут ли они развить сознание, пусть даже в рудиментарной форме? Могут ли они испытывать боль или страдание? И какие права будут иметь люди в отношении органоидов мозга, сделанных из их клеток? Авторы остро осознают эти проблемы. 

«Ключевой частью нашего видения является развитие ОИ этическим и социально ответственным образом, ‒ говорит профессор Хартунг. ‒ По этой причине мы с самого начала сотрудничали со специалистами по этике, чтобы внедрить подход «встроенной этики». По мере развития исследований все этические вопросы будут постоянно оцениваться группами, состоящими из учёных, специалистов по этике и общественности». 

Как далеко мы от первого органоидного интеллекта? 

Несмотря на то, что ОИ всё ещё находится в зачаточном состоянии, недавняя игра органоидов в видеоигру Pong ‒ прошлогоднее исследование одного из соавторов статьи, доктора Бретта Кагана, главного научного сотрудника Cortical Labs ‒ служит доказательством всей концепции органоидного интеллекта. 

«Их команда уже тестирует это с органоидами мозга», ‒ поясняет Хартунг. ‒ И я бы сказал, что повторение этого эксперимента с органоидами уже соответствует основному определению ОИ. С этого момента остаётся только создать сообщество, инструменты и технологии для реализации всего потенциала». 

 


АРМК, по материалам Frontiers