Cyfrowa technika nieco bliżej biologii, DNA i mózgu
Nad nowego rodzaju mózgowo-maszynowymi interfejsami pracuje nie tylko Musk. Naukowcy z Wielkiej Brytanii, Szwajcarii, Niemiec oraz Włoch poinformowali niedawno o wynikach projektu, który pozwolił na połączenie sztucznych neuronów z naturalnymi (1). Wszystko to za pośrednictwem sieci internetowej, która pozwala biologicznym i "krzemowym" neuronom komunikować się między sobą. Eksperyment polegał na hodowli neuronów u szczurów, które następnie zostały wykorzystane do przesyłania sygnału. Szef zespołu Stefano Vassanelli poinformował, że po raz pierwszy naukowcom udało się wykazać, iż sztuczne neurony umieszczone na czipie da się bezpośrednio połączyć z biologicznymi.
Badacze chcą wykorzystać sztuczne sieci neuronowe do przywrócenia prawidłowego działania uszkodzonych części mózgu. Po osadzeniu w specjalnym implancie neurony będą działać jako rodzaj protezy, która będzie adaptowała się do naturalnych warunków pracy mózgu. Więcej na temat samego projektu można przeczytać w artykule w czasopiśmie "Scientific Reports".
Facebook chce wejść do twojego mózgu
Ci, którzy obawiają się takiej nowej techniki, być może mają rację, zwłaszcza gdy słyszymy, że do "zawartości" naszego mózgu dobrać chciałby się np. Facebook. Na imprezie zorganizowanej w październiku 2019 r. przez wspierane przez Facebooka centrum badawcze Chan Zuckerberg BioHub szef Facebooka Mark Zuckerberg mówił o nadziejach na stworzenie kontrolowanych przez mózg urządzeń przenośnych, które zastąpią mysz i klawiaturę. "Celem jest możliwość kontroli obiektów w wirtualnej lub rozszerzonej rzeczywistości za pomocą myśli", powiedział Zuckerberg, cytowany przez serwis CNBC. Facebook kupił za prawie miliard dolarów startup CTRL-labs rozwijający systemy interfejsu mózg-komputer.
Prace nad interfejsem mózg-komputer zostały po raz pierwszy zaanonsowane jeszcze na konferencji Facebooka F8 w 2017 roku. Według długofalowego planu firmy nieinwazyjne urządzenia do noszenia mają pewnego dnia np. pozwalać użytkownikom wpisywać słowa przez samo ich pomyślenie. Ale technologia tego rodzaju jest wciąż w bardzo wczesnym stadium, zwłaszcza jest mówimy o interfejsach opierających się jedynie na dotyku skóry, nieinwazyjnych. "Ich zdolność do przekładania rzeczy, które dzieją się w mózgu, na aktywność motoryczną jest ograniczona. Dla większych możliwości potrzeba czegoś wszczepionego", mówił na wspomnianym spotkaniu Zuckerberg.
Czy ludzie pozwolą sobie "coś wszczepić", by kontaktować się ze znanym z niepohamowanego apetytu na prywatne dane Facebookiem? (2) Może się tacy znajdą, zwłaszcza gdy zaoferuje im skróty artykułów, których nie chce im się czytać. W grudniu 2020 r. Facebook poinformował pracowników, że pracuje nad narzędziem do streszczania informacji, aby użytkownicy nie musieli ich czytać. Na tym samym spotkaniu przedstawił kolejne plany czujnika neuronowego do wykrywania ludzkich myśli i przekładania ich na czynności w serwisie.
Z czego zrobić komputery wydajne jak mózg?
Wspomniane projekty nie są jedynymi przedsięwzięciami dążącymi do stworzenia bezpośredniego połączenia maszyny z mózgiem. Samo łączenie tych światów nie jest też jedynym celem, do którego się dąży. Jest np. inżynieria neuromorficzna, nurt zmierzający do odtworzenia w maszynach możliwości ludzkiego mózgu, np. jeśli chodzi o jego wydajność energetyczną.
Przewiduje się, że do 2040 roku globalne zasoby energii nie będą w stanie sprostać naszym wymaganiom obliczeniowym, jeśli będziemy trzymać się techniki krzemowej. Dlatego istnieje pilna potrzeba opracowania nowych systemów zdolnych do przetwarzania danych szybciej, a co najważniejsze, w sposób bardziej energooszczędny. Naukowcy od dawna wiedzą, że jednym ze sposobów na osiągnięcie tego celu mogą być techniki naśladujące ludzki mózg.
W komputerach krzemowych różne funkcje są wykonywane przez różne obiekty fizyczne, co wydłuża czas przetwarzania i powoduje ogromne straty cieplne. Natomiast neurony w mózgu potrafią wysyłać i odbierać informacje równocześnie w ogromnej sieci, przy dziesięciokrotnie niższym napięciu niż nasze najbardziej zaawansowane komputery.
Główną przewagą mózgu nad jego krzemowymi odpowiednikami jest zdolność do przetwarzania równoległego. Każdy z neuronów jest połączony z tysiącami innych, a wszystkie one mogą działać zarówno jako wejście, jak i wyjście dla danych. Aby stworzyć sztuczną maszynę podobną do mózgu, która mogłaby przechowywać i przetwarzać informacje tak jak my, konieczne jest opracowanie materiałów fizycznych, które mogą szybko i płynnie przechodzić pomiędzy stanami przewodzenia i braku przewidzenia, jak to ma miejsce w neuronach.
W czasopiśmie "Matter" ukazał się kilka miesięcy temu artykuł o badaniach nad materiałem o takich właściwościach. Naukowcy z Uniwersytetu Teksaskiego A&M stworzyli nanoprzewody ze związku symbolu β’-CuXV2O5, które wykazują zdolność do oscylacji pomiędzy stanami przewodzenia w odpowiedzi na zmiany temperatury, napięcia i natężenia prądu.
Po dokładniejszej analizie odkryto, że zdolność ta wynika z ruchu jonów miedzi w całym β’-CuxV2O5, co wymusza przemieszczanie się elektronów i zmienia właściwości przewodzące materiału. Do manipulacji tym zjawiskiem w β’-CuxV2O5 generowany jest impuls elektryczny, bardzo podobny do tego, który powstaje, gdy biologiczne neurony wysyłają między sobą sygnały. Nasz mózg funkcjonuje przez aktywowanie określonych neuronów w kluczowym czasie, w niepowtarzalnych sekwencjach. Sekwencja zdarzeń neuronalnych skutkuje przetwarzaniem informacji, niezależnie od tego, czy jest to przywołanie pamięci, czy wykonanie czynności fizycznej. Obwód z β’-CuxV2O5 działałby w ten sam sposób.
Dysk twardy w DNA
Kolejnym kierunkiem badań jest poszukiwanie opartych na biologii metod zapisywania danych. Jednym z pomysłów, które opisywaliśmy także już niejednokrotnie w MT, jest magazynowanie danych w DNA, uznawanym za obiecujący, niezwykle kompaktowy i stabilny nośnik danych (3). Powstają m.in. rozwiązania, które pozwalają na zapis danych w genomach żywych komórek.
Szacuje się, że do 2025 roku każdego dnia na całym świecie będzie powstawać blisko pięćset eksabajtów danych. Przechowywanie ich może szybko stać się niepraktyczne przy użyciu konwencjonalnej technologii krzemowej. Gęstość informacji jest w DNA potencjalnie miliony razy większa niż w przypadku konwencjonalnych dysków twardych. Szacuje się, że jeden gram DNA może pomieścić do 215 amilionów gigabajtów. Jest również bardzo stabilny, jeśli odpowiednio przechowywany. W 2017 r. naukowcy wyodrębnili pełny genom wymarłego gatunku konia sprzed 700 tysięcy lat, a w ub. roku odczytano DNA mamuta sprzed miliona lat.
Główna komplikacja polega na znalezieniu sposobu na połączenie cyfrowego świata i danych z biochemicznym światem genów. Obecnie polega to na syntezie DNA w laboratorium i, choć koszty szybko spadają, jest to nadal skomplikowane i kosztowne zadanie. Po zsyntetyzowaniu sekwencje muszą być starannie przechowywane w warunkach in vitro, aż będą gotowe do ponownego użycia lub mogą być wprowadzane do żywych komórek przy użyciu technologii edycji genów CRISPR.
Badacze z Uniwersytetu Columbia zademonstrowali nowe podejście, które pozwala bezpośrednio przekształcać cyfrowe sygnały elektroniczne w dane genetyczne przechowywane w genomach żywych komórek. "Wyobraźmy sobie komórkowe dyski twarde, które mogą obliczać i fizycznie rekonfigurować się w czasie rzeczywistym", mówił w rozmowie z "Singularity Hub" Harris Wang, jeden z członków zespołu. "Uważamy, że pierwszym krokiem jest możliwość bezpośredniego kodowania danych binarnych w komórkach bez konieczności przeprowadzania syntezy DNA in vitro".
Praca opiera się na wykorzystującym metodę CRISPR rejestratorze komórkowym, który Wang zaprojektował wcześniej dla bakterii E. coli, wykrywającym obecność pewnych sekwencji DNA wewnątrz komórki i zapisującym ten sygnał w genomie organizmu. System ma oparty na DNA "moduł wyczuwający", który reaguje na określone sygnały biologiczne. Wang i współpracownicy przystosowali moduł wyczuwania do pracy z opracowanym przez inny zespół biosensorem, który z kolei reaguje na sygnały elektryczne. Ostatecznie pozwoliło to badaczom na bezpośrednie zakodowanie informacji cyfrowej w genomie bakterii. Ilość danych, którą może przechowywać pojedyncza komórka, jest dość mała, zaledwie trzy bity.
Naukowcy wymyślili więc sposób, aby zakodować 24 oddzielne populacje bakterii różnymi 3-bitowymi fragmentami danych jednocześnie, co w sumie daje 72 bity. Wykorzystali to do zakodowania w bakteriach wiadomości "Hello world!" i wykazali, że przez sekwencjonowanie połączonej populacji i użycie specjalnie zaprojektowanego klasyfikatora mogli odczytać wiadomość z 98-procentową dokładnością.
Oczywiście 72 bity to bardzo daleko od pojemności pamięci masowej nowoczesnych dysków twardych. Jednak naukowcy są przekonani, że możliwe jest szybkie zwiększenie skali rozwiązania. Przechowywanie danych w komórkach jest, zdaniem naukowców, znacznie tańsze niż inne metody kodowania w genach, ponieważ można po prostu wyhodować więcej komórek, zamiast przeprowadzać skomplikowaną syntezę sztucznego DNA. Komórki mają także naturalną zdolność do ochrony DNA przed zakłóceniami środowiskowymi. Zademonstrowali to, dodając komórki E. coli do niewysterylizowanej gleby doniczkowej, a następnie niezawodnie pobierając z nich całą 52-bitową wiadomość przez sekwencjonowanie połączonej społeczności mikroorganizmów glebowych. Naukowcy zaczęli też projektować DNA komórek, aby umożliwić im prze-prowadzanie operacji logicznych i pamięciowych.
Integracja technik komputerowych i telekomunikacyjnych kojarzy się mocno z wizjami transhumanistycznej "osobliwości" przepowiadanej przez Raya Kurzweila i innych futurystów (4). Interfejsy mózgowo-maszynowe, syntetyczne neurony, zapis danych w genomach - to wszystko mogłoby zmierzać w tym kierunku. Jest tylko jeden problem - są to wszystko techniki i eksperymenty na bardzo wczesnym etapie badań. Zatem ci, którzy się tej przyszłości obawiają, powinni być spokojni, zaś entuzjaści integracji ludzi z maszynami powinni ochłonąć.
Mirosław Usidus
