Komputer z ludzkich komórek mózgowych już działa. To początek rewolucji?
Po raz pierwszy naukowcy osiągnęli coś, co do tej pory było możliwe jedynie w filmach. Zespół kierowany przez inżyniera Fenga Guo z Uniwersytetu Indiany w Bloomington w USA zdołał zintegrować ludzką tkankę mózgową z elektroniką.
Do tej pory podejmowano wiele prób uczynienia komputerów bardziej podobnymi do ludzkiego mózgu, ale tym razem, badacze zbudowali coś naprawdę wyjątkowego.
Ludzki mózg jest niedościgłym wzorem dla komputerów
Nasz mózg to niedościgły wzór dla najlepszych nawet komputerów. Jak dotąd, żadna maszyna licząca nie osiągnęła złożoności i wynikających z niej możliwości, jakimi dysponuje ten ludzki organ. Pomimo niesamowitego rozwoju, jaki nastąpił na polu elektroniki, ludzki mózg wciąż jest niekwestionowanym liderem, jeśli chodzi o zdolność do przetwarzania informacji.
Ludzki mózg zawiera średnio 86 mld neuronów i do kwadryliona synaps. Każdy neuron jest połączony z maksymalnie 10 tys. innych, które nieustannie emitują sygnały i komunikują się ze sobą. Do tej pory nasze najlepsze próby symulacji aktywności mózgu w sztucznych systemach, spełzały na niczym.
Ilość danych i szybkość, z jaką są przesyłane w mózgu, jest póki co nieosiągalna dla jakiegokolwiek komputera. Warto pamiętać o tym, że nawet te z maszyn, które są w stanie pokonać człowieka np. w grze w szachy lub starożytną, chińską grę „go”, nie są w stanie osiągnąć złożoności operacji, z jaką radzą sobie nasze mózgi w niemal każdej chwili.
Komputer zdolny analizować niezliczone kombinacje ruchów szachowych jest w stanie zrobić to lepiej niż szachista i wygrać partię szachów, to fakt. Jednak taki komputer, o ile nie został zaprogramowany do wykonywania innych funkcji, okaże się całkowicie bezradny w starciu z jakimkolwiek innym zadaniem. Przedstawienie prostego opisu obrazka z zachodem Słońca będzie dla niego niewykonalne.
Kluczem do niezwykłości ludzkiego mózgu jest wydajność neuronów, z jakich się składa, w wykonywaniu dwóch funkcji. Pierwsza z nich to myślenie, które można porównać do funkcjonowania procesora w komputerze. Drugie to przechowywanie informacji, co odpowiada działaniu komputerowego twardego dysku. Ludzki mózg, w przeciwieństwie do komputerów, które by działać, potrzebują zarówno procesora, jak i dysku twardego, jest jedną całością. Dzięki temu jest on w stanie wykonywać obydwie funkcje jednocześnie, bez problemu. To super wydajny procesor i dysk pamięci o ogromnej pojemności, w jednym.
Więcej o bioinżynierii przeczytasz tutaj:
Wynik: 2 400 - 1 dla ludzkiego mózgu
Dobrym przykładem różnicy, jaka istnieje między komputerami a naszym mózgiem, jest test wykonany w 2013 r. „Komputer K”, stworzony przez firmę Riken w 2013 r. posiadał 82 944 procesorów i petabajt pamięci głównej. W tamtym momencie był najbardziej zaawansowaną maszyną naśladującą ludzki mózg.
Komputer otrzymał proste zadanie, którym była symulacja działania ludzkiego mózgu przez jedną sekundę. Efekt? To, co z czym nasz mózg radzi sobie w jedną, zajęło komputerowi aż 2 400 sekund, czyli 40 minut. Oczywiście, od tamtego momentu minęło 10 lat. Jednak postęp, jaki został przez ten czas osiągnięty, jest wciąż dalece niewystarczający, by maszyny zbliżyły się do zdolności obliczeniowych, jakie posiada mózg człowieka.
W ostatnich latach powstały niezliczone projekty sprzętu, nowe programy i algorytmy, które starają się odtworzyć strukturę i sposób działania naszego najważniejszego organu. Wszystkie te działania są określane w nauce jako „obliczenia neuromorficzne”. Trzeba przyznać, że dają one coraz lepsze rezultaty. Jednak jakiekolwiek sukcesy w tej dziedzinie są okupione coraz większym zużyciem energii oraz czasem, jaki jest niezbędny do „uczenia” sieci neuronowych.
Guo Z Uniwersytetu Indiany w Bloomington i jego zespół postanowili zastosować inne podejście. Wykorzystali prawdziwą ludzką tkankę mózgową wyhodowaną w laboratorium. Ludzkie komórki macierzyste zostały przekształcone w różne typy komórek mózgowych, które następnie zorganizowały się w trójwymiarowe organoidy. Nie można ich oczywiście porównać z ludzkim mózgiem. To po prostu układy tkanek absolutnie niezdolne do operacji choćby przypominających myśli, emocje lub świadomość.
Są one jednak niezwykle użyteczne w badaniach nad rozwojem i działaniem mózgu w laboratorium. Naukowcy określają takie struktury mianem „brainoware”, od połączenia dwóch angielskich słów „brain” - mózg, oraz „software” lub „hardware”, które oznaczają oprogramowanie i sprzęt komputerowy.
„Brainoware” to połączenie organoidy mózgowe podłączone do sztucznej sieci neuronowej. Aby zademonstrować możliwości takiego systemu, naukowcy wgrali do niego 240 nagrań głosu ośmiu mężczyzn i poprosili go o zidentyfikowanie głosu jednej, konkretnej osoby.
Po zaledwie dwóch dniach treningu, „Brainoware” był w stanie zidentyfikować właściwego mówcę z 78 proc. dokładnością. To bardzo obiecujący wynik. Jednak przed badaniami nad „Brainoware” jest wciąż wiele wyzwań. Jednym z nich jest kwestia utrzymania organoidów przy życiu. Innym są poziomy zużycia energii przez urządzenia wspomagające ich działanie. Pomimo wszelkich trudności, gra jest warta świeczki. Możliwości, jakie zyskalibyśmy dzięki bio komputerom, byłyby niespotykane.
Jak zauważyła trójka naukowców Lena Smirnova, Brian Caffo oraz Erik C. Johnson, którzy dokonali oceny przedsięwzięć tego typu w artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature:
Mogą minąć dziesięciolecia, zanim będzie można stworzyć ogólne systemy bio komputerowe, ale badania te prawdopodobnie przyniosą fundamentalne spostrzeżenia na temat mechanizmów uczenia się, rozwoju neuronów i poznawczych implikacji chorób neurodegeneracyjnych. Mogłoby to również pomóc w opracowaniu przedklinicznych modeli zaburzeń poznawczych w celu przetestowania nowych środków terapeutycznych.
