Ученые разработали гибридный компьютер под названием "Brainoware", который объединяет человеческие нейроны со стандартным компьютерным оборудованием. Это биотехнологическое устройство выглядит как нечто прямо из научно-фантастического фильма и обещает интересное применение в биоинформатике. В мире, где искусственный интеллект (ИИ) и биотехнологии развиваются семимильными шагами, произошел удивительный прорыв: создан гибридный компьютер, объединивший передовую электронику и биологию. Это устройство, созданное в результате сотрудничества инженеров и нейробиологов из Университета Индианы, интегрирует ткани человеческого мозга в компьютерный каркас.
Этот прорыв на стыке информатики и нейронаук может изменить наш подход к искусственному интеллекту. Он предлагает новую призму для разработки процессоров нового типа, одновременно поднимая беспрецедентные этические и технические вопросы. Кроме того, этот тип устройств позволит изучать неврологические расстройства как никогда раньше. Исследование опубликовано в журнале Nature Electronics.
Шаг к человеко-машинной интеграции
Разработка Brainoware командой из Университета Индианы в Блумингтоне знаменует собой важный шаг на пути к объединению биологии и электроники. В основе этой системы лежит использование церебральных органоидов — трехмерных структур, выращенных в лаборатории из плюрипотентных стволовых клеток. Эти клетки обладают уникальной способностью дифференцироваться в различные типы клеток, включая нейроны, имитируя сложность и функции тканей человеческого мозга. Исследователи тщательно культивировали эти органоиды, чтобы они воспроизводили определенные аспекты коры головного мозга человека — области мозга, вовлеченной в такие высокоуровневые функции, как мышление, память и принятие решений.
Слева направо вверху: органоиды мозга человека через 7 дней, 14 дней, 28 дней и несколько месяцев; Внизу слева направо: детали ткани головного мозга через 1, 2 и 3 месяца.
Чтобы интегрировать эти органоиды в компьютерную систему, исследователи поместили их на пластины, содержащие тысячи микроскопических электродов. Эти электроды служат связующим звеном между биологической тканью и электронными схемами, обеспечивая двустороннее взаимодействие. Таким образом, электрические сигналы могут передаваться органоидам, а их реакция — фиксироваться и анализироваться. Такая конфигурация позволяет Brainoware обрабатывать информацию подобно человеческому мозгу, но в электронном контексте. Преобразуя данные в электрические импульсы, исследователи смогли "общаться" с органоидами, используя их для выполнения определенных задач.
Возможности и производительность гибридного компьютера
В практическом плане способность Brainoware выполнять сложные задачи иллюстрирует его успех в распознавании речи — задаче, требующей высокой точности и способности различать тонкие нюансы в аудиоданных. Чтобы проверить эту способность, исследователи подвергли Brainoware обработке 240 записей голосов восьми мужчин, говорящих на японском языке. Задача состояла в том, чтобы идентифицировать отдельные голоса в этих записях. Brainoware обрабатывал эти аудиоданные, преобразуя их в электрические сигналы, которые затем передавались в органоиды головного мозга. Органоиды мозга реагировали на каждый голос по-своему, создавая различные паттерны активности нейронов.
Один из исследуемых органоидов и активность его цифровых нейронов (внизу).
Результаты Brainoware в этой задаче особенно впечатляют. После относительно короткого периода обучения система достигла 78 % точности идентификации говорящего. Конечно, она оказалась чуть менее точной, чем искусственные нейронные сети с блоком долговременной памяти, но эти сети проходили по 50 эпох обучения. Brainoware получила результаты, близкие к результатам последних, менее чем за 10 % времени их обучения! Такая производительность в этой сложной задаче демонстрирует жизнеспособность церебральных органоидов в приложениях для обработки информации.
Будущие последствия
Brainoware открывает беспрецедентные перспективы для искусственного интеллекта и нейронаук. В области искусственного интеллекта эта технология может привести к созданию более энергоэффективных систем, способных обрабатывать информацию таким образом, который в большей степени напоминает работу человеческого мозга. Повышение эффективности может принести большую пользу в областях, требующих сложного анализа данных, таких как распознавание голоса или зрения, поскольку эти процессы станут быстрее и менее энергоемкими.
Кроме того, Brainoware представляет собой бесценную модель для исследований мозга, в частности для изучения нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера. Органоиды мозга можно будет использовать для моделирования и изучения этих заболеваний в контролируемой среде, что позволит лучше понять основные механизмы и, возможно, откроет новые пути для разработки методов лечения.
Однако разработка Brainoware не обходится без трудностей. Поддержание жизни и роста органоидов мозга представляет собой серьезную техническую проблему, особенно по мере того, как эти структуры становятся все больше и сложнее. Обеспечение долгосрочной жизнеспособности этих органоидов в искусственной среде требует значительных достижений в области биотехнологий и управления системами жизнеобеспечения.
Кроме того, использование тканей человеческого мозга в компьютерах поднимает важные этические вопросы. Последствия манипуляций с биологическими тканями человека и их интеграции в технологические устройства должны быть тщательно рассмотрены, что требует строгого регулирования и тщательного этического анализа.
