Органоидният интелект: новата граница на биокомпютрите или научна фантазия?

Човешкият мозък е вдъхновителят и вдъхновението на Изкуствения интелект (ИИ) от зората на неговия замисъл. Но, колкото и впечатляващи да са постиженията на ИИ, неговата изчислителна мощ е нищожна в сравнение с тази на човешкия мозък.

Сега обаче учените разкриват революционен път за развитие на изчислителната техника: синтетичен органоиден интелект (ОИ), при който отгледаните в лаборатория мозъчни органоиди служат като биологичен хардуер. "Тази нова област на биокомпютрите обещава безпрецедентен напредък в скоростта на изчисленията, мощността на обработката, ефективността на данните и възможностите за съхранение – и всичко това при по-ниски енергийни нужди", казват авторите в статия, публикувана през февруари 2023 г. във Frontiers in Science.

Изкуственият интелект наистина умело учи от своя вдъхновител, човешкия мозък. Този подход се оказа изключително успешен: ИИ може да се похвали с впечатляващи постижения - от диагностициране на медицински състояния до композиране на поезия. Въпреки това оригиналният модел продължава да превъзхожда машините в много отношения. Ето защо, например, можем да докажем своята "човечност" с тривиални тестове за изображения онлайн, на които сигурно сте попадали, докато сърфирате из интернет. А какво би станало, ако вместо да се опитваме да направим изкуствения интелект наподобяващ още повече мозъка, отидем направо при източника?

Учени от различни дисциплини работят по създаването на революционни биокомпютри, в които триизмерни култури от мозъчни клетки, наречени мозъчни органоиди, служат като биологичен хардуер. Те описват своята пътна карта за осъществяване на тази визия в списание Frontiers in Science.

"Наричаме тази нова интердисциплинарна област "органоиден интелект", казва професор Томас Хартунг от университета "Джонс Хопкинс". "Общност от най-добрите учени се събра, за да разработи тази технология, която според нас ще постави началото на нова ера на бързи, мощни и ефективни биокомпютри."

Какво представляват мозъчните органоиди и защо те биха били добри компютри?

Мозъчните органоиди са вид клетъчна култура, отглеждана в лаборатория. Въпреки че мозъчните органоиди не са "минимозъци", те споделят ключови аспекти на мозъчната функция и структура, като например неврони и други мозъчни клетки, които са от съществено значение за когнитивните функции като учене и памет. Освен това, докато повечето клетъчни култури са плоски, органоидите имат триизмерна структура. Това увеличава плътността на клетките в културата 1000 пъти, което означава, че невроните могат да образуват много повече връзки.

Но дори ако мозъчните органоиди са добра имитация на мозъка, защо те биха били добри компютри? В края на краищата, не са ли компютрите по-умни и по-бързи от мозъците?

"Докато компютрите на силициева основа със сигурност са по-добри с числата, мозъците са по-добри в ученето", обяснява Хартунг. "Например AlphaGo [изкуственият интелект, който през 2017 г. победи първия играч на Го в света] беше обучен на данни от 160 000 игри. Един човек би трябвало да играе по пет часа на ден в продължение на повече от 175 години, за да изживее тези многобройни игри."

Мозъците не само се учат по-добре, но и са по-енергийно ефективни. Например количеството енергия, изразходвано за обучението на AlphaGo, е по-голямо от това, което е необходимо за поддържането на активен възрастен човек в продължение на десетилетие.

Мозъкът също така има невероятен капацитет за съхранение на информация, който се оценява на 2500TB. На практика все още достигаме физическите граници на силициевите компютри, защото не можем да съберем повече транзистори в малък чип. Но мозъкът е свързан по съвсем различен начин. В него има около 100 млрд. неврона, свързани с огромен брой на свързване. Това е значителна разлика в мощността в сравнение със сегашната ни технология.

Как биха изглеждали биокомпютрите с органоиден интелект?

Според Хартунг, настоящите мозъчни органоиди трябва да бъдат увеличени за ОИ. "Те са твърде малки, като всеки от тях съдържа около 50 000 клетки. За ОИ ще трябва да увеличим този брой до 10 милиона", обяснява той.

Органоидите се нуждаят от изкуствено кръвоснабдяване, за да достигнат този размер. Увеличаването на размера ще изисква и по-голямо клетъчно разнообразие, така че органоидите да съдържат не само множество видове невронни клетки, но и различни видове невронни клетки, за които вече знаем, че участват в процеси като учене и памет.

Успоредно с това авторите разработват и технологии за комуникация с органоидите: с други думи, да им изпращат информация и да разчитат какво "мислят". Авторите планират да адаптират инструменти от различни научни дисциплини, като биоинженерство и машинно обучение, както и да конструират нови устройства за стимулация и запис.

"Разработихме устройство за мозъчно-компютърен интерфейс, подобно на "шапката" от електроди за мозъчна електроенцефалограма, което представихме в статия, публикувана през август миналата година. Това е гъвкава обвивка, плътно покрита с малки електроди, които могат както да улавят сигнали от органоида, така и да предават сигнали към него", разказва Хартунг.

Авторите предвиждат, че в крайна сметка ОИ ще интегрира широк спектър от инструменти за стимулация и запис. Те ще организират взаимодействията в мрежи от взаимосвързани органоиди, които осъществяват по-сложни изчисления.

С какво може да е полезна интелигентността на органоидите

Обещанието на идеята зад ОИ надхвърля компютърните технологии и се отнася до медицината. Благодарение на новаторска техника, разработена от Нобеловите лауреати Джон Гърдън и Шиня Яманака, мозъчни органоиди могат да бъдат произведени от тъкани на възрастни хора. Това означава, че учените могат да разработват персонализирани мозъчни органоиди от кожни проби на пациенти, страдащи от нервни разстройства, като например болестта на Алцхаймер. След това те могат да проведат множество тестове, за да проучат как генетичните фактори, лекарствата и токсините влияят върху тези състояния.

"С помощта на ОИ бихме могли да изследваме и когнитивните аспекти на неврологичните заболявания", казва Хартунг. "Например бихме могли да сравним формирането на паметта в органоиди, получени от здрави хора и от пациенти с болестта на Алцхаймер, и да се опитаме да поправим относителните дефицити. Бихме могли също така да използваме ОИ, за да проверим дали определени вещества, като например пестициди, причиняват проблеми с паметта или ученето."

Органоидите могат да бъдат полезни и при изследванията на околната среда. Те могат да се използват за изследване на въздействието на глобалното затопляне, изменението на климата и замърсяването върху различни живи организми и видове, включително и върху хората. Те могат да помогнат за идентифициране на различни механизми на реакция, чрез които тези стресови фактори влияят на вътрешните органи и тъкани, което води до по-добро разбиране на въздействието на тези фактори върху нашето здраве.

Също така органоидите могат да се използват за разработване на нови култури с желани характеристики, като устойчивост на болести, по-високи добиви и подобрено хранително съдържание. 

А етичните въпроси?

Създаването на човешки мозъчни органоиди, които могат да учат, да помнят и да взаимодействат със заобикалящата ги среда, повдига сложни етични въпроси. Например, могат ли те да развият съзнание, дори в рудиментарна форма? Могат ли да изпитват болка или страдание? И какви права биха имали хората по отношение на мозъчните органоиди, създадени от техните клетки? Основният етичен проблем днес, особено на фона на полемиките около генеративния изкуствен интелект, е, че органоидите могат да придобият някакъв аспект на съзнание и да изпитат болка или страдание.

Авторите са наясно с тези въпроси. Те предлагат интелигентността на органоидите да се развива "по етично и социално отговорен начин... където екипи от етици, изследователи и представители на обществеността колективно определят, обсъждат и решават етични въпроси". "Ключова част от нашата визия е да развиваме ОИ по етичен и социално отговорен начин", казва Хартунг. "Поради тази причина си партнираме с етици от самото начало, за да установим подход на "вградена етика". Всички етични въпроси ще бъдат непрекъснато оценявани от екипи, съставени от учени, етици и общественост, в хода на развитието на изследването."

Идеята, че органоидите могат да станат съзнателни, може би изглежда малко пресилена. Съзнанието не се генерира само от мозъка, а по-скоро чрез сложен набор от взаимодействия между мозъка и тялото. Един органоид, дори и да е свързан с изкуствени сетивни органи, все още ще бъде малко повече от "мозък в колба", който не може да има съзнателни преживявания или да усеща физическа болка.

Колко далеч сме от първия органоиден интелект?

Въпреки че ОИ е все още в начален стадий на развитие, наскоро публикувано проучване на един от съавторите на статията - д-р Брет Каган от базираната в Мелбърн, Австралия Cortical Labs - предоставя доказателства за концепцията. Екипът му показва, че нормална култура от мозъчни клетки може да се научи да играе видеоиграта Pong.

"Техният екип вече тества това с мозъчни органоиди", добавя Хартунг. "И аз бих казал, че възпроизвеждането на този експеримент с органоиди вече отговаря на основното определение за ОИ. Оттук нататък е въпрос на изграждане на общността, инструментите и технологиите, за да се реализира пълният потенциал на ОИ", заключава той.