Brainoware: Επιστήμονες συνδύασαν πραγματικό ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό με ηλεκτρονικά κυκλώματα για να δημιουργήσουν ένα βιοϋπολογιστή
Επιστήμονες ανά τον κόσμο εργάζονται πάνω στη δημιουργία λογισμικών που θα μιμούνται τη λειτουργεία του ανθρώπινου εγκεφάλου. Στόχος είναι να αναπτυχθούν «βιοϋπολογιστές» που θα μπορούν να επεξεργάζονται πληροφορίες, να εκπαιδεύονται εμπειρικά και να προσαρμόζονται σε μεταβαλλόμενες συνθήκες.
Οι δυνατότητες του εγκεφάλου είναι εκπληκτικές. Με περίπου 86 δισεκατομμύρια νευρώνες και αναρίθμητες συνδέσεις, μπορεί να επεξεργαστεί πληροφορίες, σε μέγεθος και σε ταχύτητες, που η υπολογιστική τεχνολογία δυσκολεύεται να αγγίξει. Η αποτελεσματικότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου έγκειται στο γεγονός πως οι νευρώνες, τα εγκεφαλικά κύτταρα, μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα τόσο ως επεξεργαστές όσο και ως «συσκευές» μνήμης. Αντίθετα στις περισσότερες σύγχρονες υπολογιστικές συσκευές, οι λειτουργίες επεξεργασίας και μνήμης είναι διαχωρισμένες.
Σύμφωνα με μια νέα έρευνα που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Electronics, μια ομάδα επιστημόνων έκανε ένα σημαντικό βήμα για την ανάπτυξη «βιοϋπολογιστών». Δημιούργησε ένα εργαστηριακά καλλιεργημένο ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό με ηλεκτρονικά κυκλώματα, που λειτουργεί όπως ο ανθρώπινος εγκέφαλος.
Τι είναι το Brainoware
Πρόκειται για το Brainoware, μια τεχνολογία που βρίσκεται ακόμη σε αρχικά στάδια. Σε αυτή τη φάση διαθέτει δυνατότητες αναγνώρισης ομιλίας και υπολογισμού. Η βάση του είναι μια μίνι εγκεφαλική δομή, που έχει αναπτυχθεί από ανθρώπινα βλαστοκύτταρα. Δεν πρόκειται ακριβώς για εγκέφαλο, αλλά για τα αποκαλούμενα οργανοειδή, ομάδες κυττάρων που μιμούνται τους ιστούς και βοηθούν τους ερευνητές να μελετήσουν τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται τα ανθρώπινα όργανα χωρίς να χρειάζεται να το κάνουν αυτό σε ανθρώπους.
Εγκέφαλος
Στην προκειμένη περίπτωση οι ομάδες των βλαστοκυττάρων μεταμορφώθηκαν σε νευρώνες, παρόμοιους με αυτούς που βρίσκονται στον εγκέφαλό μας. Οι επιστήμονες επικοινωνούν με αυτό το οργανοειδές χρησιμοποιώντας πολλά μικροσκοπικά ηλεκτρόδια και ένα είδος τεχνητού νευρωνικού δικτύου που ονομάζεται reservoir computing.
Η εν λόγω τεχνολογία, όπως αναφέρεται σε άρθρο που δημοσιεύθηκε στο «Nature», θα μπορούσε στο μέλλον να ενσωματωθεί σε συστήματα τεχνητής νοημοσύνης και να αποτελέσει τη βάση για βελτιωμένα μοντέλα εγκεφάλου στην νευροεπιστημονική έρευνα.
Η έρευνα στοχεύει να δημιουργήσει «μια γέφυρα μεταξύ της τεχνητής νοημοσύνης και των οργανοειδών», λέει στο Nature ένας εκ των επικεφαλής της έρευνας, ο Φενγκ Γκουό, βιομηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα Μπλούμινγκτον .
Ορισμένα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης βασίζονται σε έναν ιστό διασυνδεδεμένων κόμβων, γνωστό ως νευρωνικό δίκτυο, με τρόπο παρόμοιο με αυτόν της λειτουργίας του εγκεφάλου. «Θέλαμε να θέσουμε το ερώτημα εάν μπορούμε να αξιοποιήσουμε για τους υπολογιστές το βιολογικό νευρωνικό δίκτυο μέσα στο οργανοειδές του εγκεφάλου», λέει.
Η ανάπτυξη και η εκπαίδευση του Brainoware
Όπως αναφέρεται στο περιοδικό Nature, για την ανάπτυξη του συστήματος Brainoware, οι ερευνητές τοποθέτησαν το οργανοειδές σε μια πλάκα καλλιέργειας με χιλιάδες ηλεκτρόδια, ώστε να συνδέσουν τον καλλιεργημένο εγκέφαλο με τα ηλεκτρικά κυκλώματα. Στη συνέχεια, μετέφρασαν τις πληροφορίες σε ένα μοτίβο ηλεκτρικών παλμών το οποίο έστειλαν στο οργανοειδές. Ακολούθως αποκωδικοποίησαν τη νευρική δραστηριότητα του εγκεφαλικού ιστού χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης.
Εγκέφαλος
Για να δοκιμάσουν τις δυνατότητες του πραγματοποίησαν ένα πείραμα αναγνώρισης ομιλίας, καλώντας το να ξεχωρίσει τις φωνές που προέρχονται από οκτώ άνδρες μέσω μιας συλλογικής 240 ηχογραφήσεων. Το οργανοειδές αντέδρασε σε κάθε φωνή παράγοντας διαφορετικά μοτίβα νευρικής δραστηριότητας και η τεχνητή νοημοσύνη έμαθε να ερμηνεύει αυτές τις αντιδράσεις για να διαχωρίζει τους ομιλητές. Τελικά μετά από την εκπαίδευση, το Brainoware μπόρεσε να αναγνωρίσει τις φωνές με ακρίβεια 78%.
Ανοίγει ο δρόμος για τους βιοϋπολογιστές
Η Λένα Σμίρνοβα, αναπτυξιακή νευροεπιστήμονας του Πανεπιστημίου John Hopkins στη Βαλτιμόρη των ΗΠΑ, ανέφερε στο Nature πως αν και χρειάζεται περαιτέρω έρευνα, η μελέτη επιβεβαιώνει ορισμένες βασικές θεωρίες που θα μπορούσαν τελικά να καταστήσουν εφικτό έναν βιοϋπολογιστή.
Ο Φενγκ Γκουό τόνισε πως ο συνδυασμός οργανοειδών και υπολογιστών θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να αξιοποιήσουν την ταχύτητα και την ενεργειακή αποδοτικότητα των ανθρώπινων εγκεφάλων για την τεχνητή νοημοσύνη. Η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη του εγκεφάλου, σύμφωνα με την Άρτι Αλουάλια, βιοατρικό μηχανικό στο Πανεπιστημίο της Πίζας στην Ιταλία, επειδή τα οργανοειδή μπορούν να αναπαράγουν την αρχιτεκτονική και τη λειτουργία ενός εγκεφάλου.
«Υπάρχει η δυνατότητα χρήσης του Brainoware για τη μοντελοποίηση και τη μελέτη νευρολογικών διαταραχών, όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο διάφορων θεραπειών. Εκεί είναι η υπόσχεση αυτής της τεχνολογίας. Να τη χρησιμοποιήσουμε για να αντικαταστήσουμε μια μέρα τα ζωικά μοντέλα του εγκεφάλου», τόνισε.
Προβλήματα και ηθικά ζητήματα
Ωστόσο, όπως υπογραμμίζει η Λένα Σμίρνοβα, η χρήση οργανοειδών για σύνδεση με υπολογιστές έχει και σημαντικά προβλήματα για τους ερευνητές. Ένα μεγάλο ζήτημα είναι το πώς θα διατηρηθούν ζωντανά. Τα κύτταρα πρέπει να αναπτυχθούν και να διατηρηθούν σε επωαστήρες, κάτι που θα είναι πιο δύσκολο όσο το μέγεθος των οργανοειδών θα μεγαλώνει, καθώς οι πιο σύνθετες εργασίες θα απαιτήσουν μεγαλύτερους «εγκεφάλους».
Ο Φενγκ Γκουό επισημαίνει πως για να αξιοποιηθούν οι δυνατότητες του Brainoware, τα επόμενα βήματα θα πρέπει να περιλαμβάνουν τη διερεύνηση του εάν και πώς τα οργανοειδή του εγκεφάλου μπορούν να προσαρμοστούν για την ολοκλήρωση πιο σύνθετων εργασιών, αλλά και για να είναι πιο σταθερά και αξιόπιστα από ό,τι είναι τώρα. Πρόκειται για ένα κρίσιμο βήμα εάν πρόκειται να ενσωματωθούν για παράδειγμα σε μικροτσίπ πυριτίου που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος.
Επιστήμονες που δεν συμμετείχαν στη μελέτη προειδοποιούν ωστόσο και για ένα ακόμη εξαιρετικά κρίσιμο θέμα: «Καθώς αυξάνεται η πολυπλοκότητα αυτών των οργανοειδών συστημάτων, είναι κρίσιμο για την επιστημονική κοινότητα να εξετάσει τα μυριάδες νευροηθικά ζητήματα που περιβάλλουν τα συστήματα βιουπολογιστών, τα οποία ενσωματώνουν ανθρώπινο νευρικό ιστό».
