Σε μια πόλη στις όχθες της λίμνης της Γενεύης, υπάρχουν συστάδες ζωντανών ανθρώπινων εγκεφαλικών κυττάρων προς ενοικίαση. Είναι στο μέγεθος περίπου ενός κόκκου άμμου, και μπορούν να λαμβάνουν ηλεκτρικά σήματα και να ανταποκρίνονται σε αυτά, όπως ακριβώς κάνουν και οι υπολογιστές.
Ερευνητικές ομάδες από όλο τον κόσμο φιλοδοξούν να χρησιμοποιήσουν τα ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα στον τομέα της τεχνολογίας και συγκεκριμένα των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Αυτός είναι ο νέος κόσμος του wetware, ή αλλιώς των βιοϋπολογιστών.
Σε ακαδημαϊκά εργαστήρια και εταιρείες, οι ερευνητές αναπτύσσουν ανθρώπινους νευρώνες και προσπαθούν να τους μετατρέψουν σε λειτουργικά συστήματα ισοδύναμα με βιολογικά τρανζίστορ. Αυτά τα δίκτυα νευρώνων, υποστηρίζουν, θα μπορούσαν μια μέρα να προσφέρουν την ισχύ ενός υπερυπολογιστή χωρίς την υπερβολική κατανάλωση ενέργειας.
Τι δείχνουν τα μέχρι στιγμής αποτελέσματα
Τα αποτελέσματα μέχρι στιγμής είναι περιορισμένα. Ωστόσο, οι ενθουσιώδεις επιστήμονες ήδη αγοράζουν ή δανείζονται διαδικτυακή πρόσβαση σε αυτούς τους επεξεργαστές εγκεφαλικών κυττάρων - ή ακόμη και επενδύουν δεκάδες χιλιάδες δολάρια για να εξασφαλίσουν τα δικά τους μοντέλα. Κάποιοι θέλουν να χρησιμοποιήσουν αυτούς τους βιοϋπολογιστές ως απλές αντικαταστάσεις των συνηθισμένων υπολογιστών, ενώ άλλοι θέλουν να τους χρησιμοποιήσουν για να μελετήσουν πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος.
«Η προσπάθεια κατανόησης της βιολογικής νοημοσύνης είναι ένα πολύ ενδιαφέρον επιστημονικό πρόβλημα», λέει ο Benjamin Ward-Cherrier, ερευνητής ρομποτικής στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος αφιερώνει χρόνο στις ελβετικές εγκεφαλικές μάζες. «Και κοιτάζοντάς το από κάτω προς τα πάνω - με απλές μικρές εκδοχές του εγκεφάλου μας και αναπτύσσοντάς τες - νομίζω ότι είναι ένας καλύτερος τρόπος να το κάνουμε από το να το κάνουμε από πάνω προς τα κάτω», σημειώνει.
Οι υποστηρικτές της βιοϋπολογιστικής ισχυρίζονται ότι αυτά τα συστήματα θα μπορούσαν μια μέρα να ανταγωνιστούν την ικανότητα της τεχνητής νοημοσύνης και τις δυνατότητες των κβαντικών υπολογιστών.
Άλλοι ερευνητές που εργάζονται με ανθρώπινους νευρώνες είναι πιο επιφυλακτικοί για το τι είναι δυνατό και τι όχι. Και προειδοποιούν ότι η διαφήμιση ενός τέτοιου εγχειρήματος και η επιστημονική φαντασία που υπάρχει γύρω από αυτό θα μπορούσαν ακόμη και να είναι αντιπαραγωγικά. Εάν η ιδέα ότι αυτά τα συστήματα διαθέτουν αίσθηση και συνείδηση επικρατήσει, θα μπορούσαν να υπάρξουν επιπτώσεις για την ερευνητική κοινότητα.
«Νομίζω ότι, αν αυτό το είδος εργασίας τραβήξει μεγάλη προσοχή και υπερεκτιμηθεί, η αντίδραση δεν θα είναι απλώς: «Πρέπει να σκεφτούμε αυτό το έργο λίγο πιο προσεκτικά». Θα είναι: «Πρέπει να σταματήσουμε εντελώς αυτό το έργο»», λέει η Madeline Lancaster, αναπτυξιακή βιολόγος που χρησιμοποιεί νευρικό ιστό για να μελετήσει την ανάπτυξη και τις ασθένειες στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, στο Ηνωμένο Βασίλειο, αλλά δεν συμμετέχει σε έργα βιοϋπολογιστικής.
Η ενεργειακή απόδοση του ανθρώπινου εγκεφάλου
Οι επιστήμονες υπολογιστών εποφθαλμιούν εδώ και καιρό την εκπληκτική ενεργειακή απόδοση του ανθρώπινου εγκεφάλου. Λειτουργώντας με λιγότερα από 20 watt - περίπου αρκετά για να λειτουργήσει ένας μικρός επιτραπέζιος ανεμιστήρας - τα δισεκατομμύρια νευρώνες του περιστρέφονται ισοδυναμώντας με ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια μαθηματικές πράξεις κάθε δευτερόλεπτο.
Οι καλύτεροι υπερυπολογιστές μπορούν να φτάσουν σε αυτήν την ταχύτητα, αλλά καταναλώνουν ένα εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια κάνοντας αυτό. Μερικοί ερευνητές προσπαθούν να αναπαράγουν την υπερ-αποδοτική δομή του εγκεφάλου χρησιμοποιώντας τσιπ πυριτίου. Αυτή η προσέγγιση, που ονομάζεται ευρέως νευρομορφική υπολογιστική, εμπνέεται από τον τρόπο με τον οποίο οι νευρώνες συνδέονται και ενεργοποιούνται για να επικοινωνήσουν.
Συγκεκριμένα, ορισμένα συστήματα επιδιώκουν να μιμηθούν τον τρόπο με τον οποίο οι νευρώνες πρέπει να φορτίζονται πριν πυροδοτήσουν μια ηλεκτρική ώθηση. Η βιοϋπολογιστική, από την άλλη πλευρά, ανάγεται στο βιολογικό υλικό πηγής. Ξεκινώντας με επαγόμενα πολυδύναμα βλαστικά κύτταρα (iPS), τα οποία μπορούν να επαναπρογραμματιστούν για να γίνουν σχεδόν οποιοδήποτε είδος κυττάρου, οι ερευνητές καλλιεργούν κοινότητες εγκεφαλικών κυττάρων και τις θρέφουν με θρεπτικά συστατικά και αυξητικούς παράγοντες.
Για να επικοινωνήσουν μαζί τους, οι ερευνητές τοποθετούν τα κύτταρα σε συστοιχίες ηλεκτροδίων και στη συνέχεια τους μεταδίδουν σήματα και εντολές ως ακολουθίες ηλεκτρικών παλμών. Αυτά τα σήματα αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο τα ιόντα ρέουν μέσα και έξω από τους νευρώνες και μπορεί να ωθήσουν ορισμένα κύτταρα να πυροδοτήσουν μια ηλεκτρική ώθηση γνωστή ως δυναμικό δράσης. Τα ηλεκτρόδια του βιοϋπολογιστή μπορούν να ανιχνεύσουν αυτά τα σήματα και να χρησιμοποιήσουν αλγόριθμους για να τα μετατρέψουν σε χρησιμοποιήσιμες πληροφορίες.
Τρισδιάστατα συσσωματώματα
Η πιο συνηθισμένη προσέγγιση βιοϋπολογιστικής καλλιεργεί τους νευρώνες ως τρισδιάστατα συσσωματώματα που ονομάζονται οργανοειδή. Η σύνθεση αυτών των κοινοτήτων εγκεφαλικών κυττάρων ποικίλλει, ανάλογα με τον τρόπο διαφοροποίησης των κυττάρων iPS, αλλά συνήθως περιλαμβάνει νευρώνες και κύτταρα που τα υποστηρίζουν, όπως αστροκύτταρα και ολιγοδενδροκύτταρα.
Τον Αύγουστο, ο Ward-Cherrier και οι συνάδελφοί του ανέφεραν ότι χρησιμοποίησαν οργανοειδή ανθρώπινου εγκεφάλου περίπου 10.000 νευρώνων για να «αναγνωρίσουν» γράμματα Braille. Αρχικά χρησιμοποίησαν ένα ρομπότ εξοπλισμένο με έναν αισθητήρα αφής για να διαβάσει τα γράμματα και στη συνέχεια μετέτρεψαν τα δεδομένα που συλλέχθηκαν για κάθε γράμμα σε ένα ξεχωριστό μοτίβο ηλεκτρικών παλμών - μεταβάλλοντας τον χρόνο και την ένταση, για παράδειγμα - τα οποία πέρασαν μέσα από μια σειρά οκτώ ηλεκτροδίων τοποθετημένων δίπλα στην επιφάνεια του οργανοειδούς. Αυτά τα ηλεκτρόδια καταγράφουν τη συλλογική δραστηριότητα πολλών κοντινών νευρώνων.
Οι ερευνητές ήθελαν να μάθουν εάν τα μοτίβα πυροδότησης στο οργανοειδές ήταν διαφορετικά ανάλογα με το μοτίβο διέγερσης που έλαβε και εάν αυτές οι αποκρίσεις ήταν συνεπείς. Για κάθε γράμμα, συνέλεξαν την απόκριση από κάθε ηλεκτρόδιο, υπολόγισαν τον μέσο όρο τους για να δώσουν μια συνολική έξοδο οργανοειδούς και χρησιμοποίησαν μηχανική μάθηση για να εντοπίσουν τυχόν μοτίβα.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, όταν τροφοδοτούνταν με ηλεκτρικούς παλμούς που αντιστοιχούσαν σε συγκεκριμένα γράμματα, ένα μόνο οργανοειδές θα παρήγαγε την ίδια χαρακτηριστική απόκριση κατά μέσο όρο στο 61% των περιπτώσεων. Όταν συνδυάστηκαν οι απαντήσεις από τρία οργανοειδή, αυτό έφτανε το 83%.
Με άλλα λόγια, τα οργανοειδή μπορούσαν να εκτελέσουν μια απλή εργασία επεξεργασίας: να διακρίνουν και να αναγνωρίσουν εισροές. Για τον Ward-Cherrier, αποτελεί μια ισχυρή απόδειξη της αρχής. «Είναι ένα αρχικό είδος προσπάθειας να δείξουμε ότι μπορούμε να κάνουμε τέτοιου είδους εργασίες. Το επόμενο βήμα είναι να κάνουμε κάτι λίγο πιο περίπλοκο», αναφέρει.
Αυτό θα μπορούσε να περιλαμβάνει την ερμηνεία μηνυμάτων από τα καλλιεργημένα κύτταρα ως οδηγίες για το ρομπότ - για να διαβάσει ξανά το γράμμα, για παράδειγμα. Τέτοιες ικανότητες ορίζουν αυτό που οι ερευνητές ονομάζουν συστήματα κλειστού βρόχου, τα οποία δεν έχουν ακόμη αποδειχθεί με οργανοειδή ανθρώπινου εγκεφάλου - αν και μια μελέτη του 2024 ανέφερε ότι ένα τέτοιο σύστημα, κατασκευασμένο από νευρωνικά οργανοειδή ποντικού, θα μπορούσε να παίξει το Cartpole, ένα παιχνίδι υπολογιστή στο οποίο ο στόχος είναι να διατηρηθεί ένας ασταθής στύλος όρθιος σε ένα κινούμενο καρότσι.
Επειδή οι είσοδοι και οι έξοδοι στα καλλιεργημένα συστήματα είναι απλά ηλεκτρικά σήματα, είναι εύκολο να προσφερθεί απομακρυσμένη πρόσβαση σε οργανοειδή μέσω του διαδικτύου. Έτσι, παρόλο που το ρομπότ ανάγνωσης Braille βρίσκεται στο εργαστήριο της Ward-Cherrier στο Μπρίστολ, τα οργανοειδή καλλιεργούνται και στεγάζονται στην εταιρεία FinalSpark, στο Βεβέ της Ελβετίας.
