Zostrojili funkčný počítač so zabudovaným ľudským mozgovým tkanivom

Žiadny počítač ani zďaleka nie je taký výkonný a zložitý ako ľudský mozog. Ten dokáže spracovať informácie v množstvách a rýchlostiach, ku ktorým sa výpočtová technika sotva približuje. Kľúčom k úspechu mozgu je efektívnosť neurónu, ktorý slúži ako procesor aj pamäťové zariadenie, zatiaľ čo vo väčšine moderných výpočtových zariadení sú na to určené fyzicky oddelené jednotky. Uskutočnilo sa už mnoho pokusov o to, aby sa počítače viac podobali mozgu, ale nová snaha ide ešte ďalej – integruje do elektroniky skutočné ľudské mozgové tkanivo. Počítač sa volá Brainoware a funguje.

Tím z Indiana University Bloomington, ktorý vedie inžinier Feng Guo, ho použil na úlohy, ako je rozpoznávanie reči a predpovedanie nelineárnych rovníc. Bol síce o niečo menej presný ako čisto hardvérový počítač bežiaci na umelej inteligencii, ale výskum demonštruje dôležitý prvý krok v novom druhu počítačovej architektúry. Niekoľko výskumníkov z Univerzity Johnsa Hopkinsa v komentári v časopise Nature Electronics poznamenáva, že pri ďalšom rozširovaní tejto technológie je dôležité mať na pamäti etické úvahy. „S rastúcou sofistikovanosťou týchto organoidných systémov je pre komunitu veľmi dôležité preskúmať nespočetné množstvo neuroetických otázok, ktoré obklopujú biopočítačové systémy obsahujúce ľudské nervové tkanivo.“

Ľudský mozog je úžasný. V priemere obsahuje odhadom 86 miliárd neurónov a až kvadrilión (1015) synapsií. Každý neurón je prepojený až s 10 000 ďalšími neurónmi, ktoré medzi sebou neustále komunikujú. Aj tie najlepšie doterajšie pokusy o simuláciu činnosti mozgu v umelom systéme sa sotva k nemu priblížili. V posledných rokoch sa vedci a inžinieri snažia priblížiť schopnostiam mozgu navrhovaním hardvéru a algoritmov, ktoré napodobňujú jeho štruktúru a spôsob, ako funguje. Počítače označované ako neuromorfné sa síce zlepšujú, ale sú energeticky náročné a trénovanie umelých neurónových sietí trvá dlho.

Guo a jeho kolegovia hľadali iný prístup pomocou skutočného ľudského mozgového tkaniva pestovaného v laboratóriu. Prinútili ľudské pluripotentné kmeňové bunky, aby sa vyvinuli do rôznych typov mozgových buniek. Tie sa potom organizovali do trojrozmerných minimozgov so spojmi a štruktúrami, nazývaných organoidy. Nie sú to skutočné mozgy, ale jednoducho usporiadanie tkaniva bez čohokoľvek, čo by sa podobalo myšlienke, emóciám alebo vedomiu. Sú užitočné na štúdium toho, ako sa mozog vyvíja a funguje.

Brainoware pozostáva z mozgových organoidov pripojených k sústave mikroelektród s vysokou hustotou pomocou typu umelej neurónovej siete známej ako rezervoárový počítač. Elektrická stimulácia prenáša informácie do organoidu, rezervoáru, kde sa tieto informácie spracúvajú predtým, ako Brainoware vychrlí svoje výpočty vo forme nervovej aktivity. Ako vstupná a výstupná vrstva sa používa bežný počítačový hardvér. Tieto vrstvy museli byť trénované na fungovanie s organoidom, pričom výstupná vrstva číta neurónové údaje a vytvára klasifikácie alebo predpovede na základe vstupných údajov.

Na demonštráciu systému výskumníci poskytli Brainoware 240 zvukových klipov od ôsmich mužských hovoriacich vydávajúcich japonské samohlásky a požiadali ho, aby identifikoval hlas jedného konkrétneho jednotlivca. Po tréningu trvajúcom len dva dni bol Brainoware schopný identifikovať rečníka s presnosťou 78 percent. „Vďaka vysokej plastickosti a prispôsobivosti organoidov sa Brainoware dokáže flexibilne meniť a reorganizovať v reakcii na elektrickú stimuláciu, čo zvýrazňuje jeho schopnosť adaptívneho rezervoárového počítača,“ píšu výskumníci.

Existujú významné obmedzenia vrátane otázky udržiavania organoidov nažive a úrovne spotreby energie periférnych zariadení. Ak však vezmeme do úvahy etické aspekty, Brainoware má význam nielen pre výpočtovú techniku, ale aj pre pochopenie tajomstiev ľudského mozgu. Môže trvať desaťročia, kým sa podarí vytvoriť všeobecné biopočítačové systémy, ale tento výskum pravdepodobne prinesie základné poznatky o mechanizmoch učenia, nervového vývoja a kognitívnych dôsledkoch neurodegeneratívnych ochorení. Výskum bol uverejnený v časopise Nature Electronics.

Zdroj: sciencealert.com.