Sztuczny mózg - idea, która nie chce odejść. Organoid do organoida
W artykule opublikowanym w lutym 2023 r. we "Frontiers in Science", duża międzynarodowa grupa badaczy prowadzona przez naukowców z Uniwersytetu Johna Hopkinsa opisuje tzw. inteligencję organoidów (OI), wschodzącą dziedzinę, w której naukowcy rozwijają biokomputery oparte na trójwymiarowych kulturach ludzkich komórek mózgowych (organoidów mózgowych) i technice interfejsu mózg-maszyna. Organoidy miałyby służyć jako swoisty biologiczny sprzęt komputerowy bardziej wydajny niż sztuczne systemy neuronowe AI. Zresztą naukowcy chcą łączyć je z systemami uczenia maszynowego.
Thomas Hartung z Uniwersytetu Johna Hopkinsa, jeden z autorów pracy, wyjaśnia, że mózg jest okablowany zupełnie inaczej niż komputery krzemowe, które, jak przypomina, "osiągają fizycznej granice upakowania danych". Ma około sto miliardów neuronów połączonych przez ponad 1015 punktów połączeń. To ogromna różnica mocy w porównaniu do znanych technik komputerowych. Ludzki mózg ma też niesamowitą zdolność do przechowywania informacji. Według cytowanej publikacji, może przechowywać szacunkowo 2500 terabajtów. Naukowcy przewidują złożone struktury komórkowe 3D, które byłyby połączone z systemami AI i uczenia maszynowego.
Teoretycznie biokomputer podobnie jak ludzki mózg ma mieć znacznie lepszą wydajność energetyczną niż krzemowa elektronika. Jest jeszcze coś. "Nawet jeśli komputery krzemowe wykonują obliczenia na liczbach i danych szybciej niż ludzie, mózgi są znacznie sprawniejsze w podejmowaniu złożonych decyzji logicznych, takich jak odróżnianie psa od kota", zwraca uwagę Hartung.
Nurt OI dąży do stworzenia biokomputerów poprzez wykorzystanie hodowanych w laboratorium organoidów mózgowych jako "biologicznego sprzętu". Według naukowców z John Hopkins, "biokomputer" zasilany przez ludzkie komórki mózgowe może zostać opracowany w ciągu naszego życia. "Biocomputing to ogromny wysiłek zagęszczania mocy obliczeniowej i zwiększania jej wydajności w celu przekroczenia obecnych limitów technologicznych", mówi Hartung w komunikacie.
Hartung wraz z kolegami rozpoczął prace nad wzrostem i składaniem komórek mózgowych w funkcjonalne organoidy w 2012 roku, używając komórek pochodzących z ludzkiej skóry przeprogramowanych do stanu przypominającego embrionalne komórki macierzyste. Każdy organoid zawiera około 50 tys. komórek, mniej więcej wielkości układu nerwowego muszki owocowej. Teraz badacze planują zbudować cały komputer z takich organoidów mózgowych.
Memrystory naśladujące
Inny nurt prac nad sztucznym mózgiem to próby opracowania "neuromorficznych" obwodów, które naśladują działanie ludzkich połączeń neuronowych, czyli synaps. Takie miękkie chipy komputerowe mogłyby być wszczepiane bezpośrednio do mózgu, pozwalając ludziom kontrolować ramiona robotyczne np. egzoszkieletów lub obsługując monitory komputerowe za pomocą samych myśli. Podobnie jak prawdziwe neurony, ale w przeciwieństwie do konwencjonalnych chipów komputerowych, takie urządzenia mogą wysyłać i odbierać zarówno sygnały chemiczne, jak i elektryczne (1).
"Ludzki mózg pracuje na bazie chemikaliów, neuroprzekaźników takich jak dopamina i serotonina. Nasze materiały są w stanie oddziaływać z nimi elektrochemicznie", pisał 2021 r. w "Annual Review of Materials Research" Alberto Salleo, materiałoznawca z Uniwersytetu Stanforda. Jego zespół stworzył urządzenia elektroniczne wykorzystujące miękkie materiały organiczne, które mogą działać jak tranzystory (które wzmacniają i przełączają sygnały elektryczne) i komórki pamięci (które przechowują informacje) oraz inne podstawowe elementy elektroniczne.
Naukowcy opracowali wiele różnych urządzeń memrystorowych (2), które naśladują zdolności przetwarzania typowe dla mózgu. Kiedy przepuszcza się przez nie prąd elektryczny, zmienia się opór elektryczny. Podobnie jak biologiczne neurony, urządzenia te wykonują obliczenia przez zsumowanie wartości wszystkich prądów, na które były wystawione. I zapamiętują wynikową wartość, jaką przyjmuje ich opór.
Prosty organiczny memrystor może mieć na przykład dwie warstwy materiałów przewodzących prąd elektryczny. Po przyłożeniu napięcia prąd elektryczny napędza dodatnio naładowane jony z jednej warstwy do drugiej, zmieniając łatwość przewodzenia prądu przez drugą warstwę przy następnym kontakcie z prądem elektrycznym. Technika ta uwalnia komputer od wartości ściśle binarnych. "Nasza pamięć może mieć dowolną wartość między zerem a jedynką. Można więc dostroić ją w sposób analogowy", podkreśla Salleo.
W chwili obecnej większość memrystorów i urządzeń pokrewnych nie jest oparta na materiałach organicznych, ale wykorzystuje standardową technikę układów krzemowych. Są znane prace nad organicznymi komponentami, które mogłyby wykonywać pracę szybciej, zużywając przy tym mniej energii. Chodzi materiały miękkie i elastyczne, które także mają właściwości elektrochemiczne, pozwalając im na interakcję z biologicznymi neuronami, czyli mniej inwazyjne wprowadzanie do mózgu. Przykładem takiego projektu są prace Franceski Santoro; inżynier elektryk, pracująca obecnie na Uniwersytecie RWTH Aachen w Niemczech, opracowuje urządzenie polimerowe, które pobiera dane z prawdziwych komórek i "uczy się" na ich podstawie. W jej urządzeniu komórki są oddzielone od sztucznego neuronu niewielką przestrzenią, podobną do synaps, które oddzielają prawdziwe neurony od siebie. Gdy komórki produkują dopaminę, substancję chemiczną sygnalizującą pracę nerwów, dopamina zmienia stan elektryczny sztucznej połowy urządzenia. Im więcej dopaminy produkują komórki, tym bardziej zmienia się stan elektryczny sztucznego neuronu, podobnie jak w przypadku dwóch biologicznych neuronów.
Niskopoziomowe, zdecentralizowane systemy tego typu - z małymi, neuromorficznymi komputerami przetwarzającymi informacje otrzymywane przez lokalne czujniki, są, zdaniem Salleo i Santoro, obiecującą drogą dla obliczeń neuromorficznych. "Fakt, że tak ładnie przypominają elektryczne działanie neuronów, czyni je idealnymi do fizycznego i elektrycznego sprzężenia z tkanką neuronową, a ostatecznie z mózgiem", piszą badacze.
Projekt budowy sztucznego mózgu, technologicznej kopii ludzkiego (3), to dziedzina badań, która doczekała się zainteresowania ważnych instytucji, organizacji i państw. Przykładem jest europejski Human Brain Project, który rozpoczął się w 2013 roku, choć wprost nie określa go się jako "projektu budowy sztucznego mózgu" - podkreślany jest tu raczej aspekt poznawczy, chęć lepszego poznania ludzkiego mózgu.
Kto wie, jeśli połączymy ogólne odkrycia Human Brain Project, mapowanie "konektomu" z rozpoznanymi algorytmami ludzkiej inteligencji i technologiami memrystorowej elektroniki wykorzystującej również algorytmy AI, to może w perspektywie kilku dekad uda nam się zbudować sztuczny mózg, wierną kopię ludzkiego.
Mirosław Usidus
