Новая область вычислений на основе клеток человеческого мозга: «Органоидный интеллект»

По мнению исследователей из Университета Джона Хопкинса, «биокомпьютер», работающий на клетках человеческого мозга, может быть создан уже при нашей жизни. Ожидается, что эта технология экспоненциально расширит возможности современных вычислительных машин и откроет новые области исследований.

План группы специалистов по созданию «органоидного интеллекта» изложен в статье, опубликованной в журнале Frontiers in Science.

«Вычислительная техника и искусственный интеллект были движущей силой технологической революции, но они достигли своего потолка», — говорит Томас Хартунг, профессор экологических наук в Школе общественного здравоохранения имени Джона Хопкинса Блумберга и Инженерной школе Уайтинга, возглавляющий эту работу. «Биовычисления — это огромная работа по уплотнению вычислительных мощностей и повышению их эффективности, позволяющая преодолеть существующие технологические ограничения».

Увеличенное изображение органоида мозга, полученного в лаборатории Томаса Хартунга, окрашенного так, что нейроны окрашены в пурпурный цвет, ядра клеток — в синий, а другие поддерживающие клетки — в красный и зеленый. Credit: Jesse Plotkin/Johns Hopkins University

На протяжении почти двух десятилетий ученые использовали крошечные органоиды — выращенные в лаборатории ткани, напоминающие полностью выросшие органы, — для экспериментов с почками, легкими и другими органами, не прибегая к испытаниям на людях или животных. В последнее время Хартунг и его коллеги из Университета Джона Хопкинса работают с органоидами мозга — шариками размером с ручку с нейронами и другими элементами, которые обещают поддерживать основные функции, такие как обучение и запоминание.

«Это открывает возможности для исследования того, как работает человеческий мозг», — сказал Хартунг. «Потому что вы можете начать манипулировать системой и делать то, что по этическим соображениям нельзя делать с человеческим мозгом».

Хартунг начал выращивать и собирать клетки мозга в функциональные органоиды в 2012 г., используя клетки из образцов человеческой кожи, перепрограммированные в состояние, подобное эмбриональным стволовым клеткам. Каждый органоид содержит около 50 000 клеток, что примерно соответствует размеру нервной системы плодовой мушки. В настоящее время он представляет себе создание футуристического компьютера на основе таких органоидов мозга.

По словам Хартунга, компьютеры, работающие на таком «биологическом оборудовании», уже в ближайшее десятилетие смогут снизить энергопотребление суперкомпьютеров, которое становится все более неприемлемым. Несмотря на то, что компьютеры обрабатывают вычисления, связанные с числами и данными, быстрее, чем люди, мозг гораздо умнее в принятии сложных логических решений, например, в отличии собаки от кошки.

Томас Хартунг с органоидами мозга в своей лаборатории в Блумбергской школе общественного здравоохранения Университета Джонса Хопкинса. Credit: Will Kirk/Johns Hopkins University

«Мозг до сих пор не может сравниться с современными компьютерами», — говорит Хартунг. «Frontier», новейший суперкомпьютер в Кентукки, стоит 600 млн. долл. и занимает площадь 6 800 кв. футов. Только в июне прошлого года он впервые превысил вычислительные возможности одного человеческого мозга, но при этом использовал в миллион раз больше энергии».

По словам Хартунга, может пройти несколько десятилетий, прежде чем органоидный интеллект сможет обеспечить работу такой же умной системы, как мышь. Но если увеличить масштабы производства органоидов мозга и обучить их искусственному интеллекту, он предвидит будущее, в котором биокомпьютеры будут поддерживать более высокую скорость вычислений, мощность обработки, эффективность данных и возможности хранения.

«Пройдут десятилетия, прежде чем мы достигнем цели, сравнимой с любым типом компьютера», — говорит Хартунг. «Но если мы не начнем создавать программы финансирования для этого, то это будет гораздо сложнее».

По словам Лены Смирновой, доцента кафедры экологического здоровья и инженерии Университета Джона Хопкинса, одного из руководителей исследований, органоидный интеллект может также произвести революцию в исследованиях по тестированию лекарственных препаратов для лечения нейроразвивающих заболеваний и нейродегенерации.

«Мы хотим сравнить органоиды мозга, полученные от типично развитых доноров, с органоидами мозга доноров, страдающих аутизмом», — сказала Смирнова. «Инструменты, которые мы разрабатываем в направлении биологических вычислений, — это те же самые инструменты, которые позволят нам понять изменения в нейронных сетях, характерные для аутизма, без использования животных или доступа к пациентам, чтобы мы могли понять глубинные механизмы того, почему у пациентов возникают эти проблемы и нарушения познания».

Для оценки этических последствий работы с органоидным интеллектом в команду был включен разнообразный консорциум ученых, специалистов по биоэтике и представителей общественности.

Справка: «Органоидный интеллект (ОИ): новый рубеж в биокомпьютинге и «интеллект в тарелке»» Лена Смирнова, Брайан С. Каффо, Дэвид Х. Грасиас, Ци Хуанг, Ици Е. Моралес Пантоха, Бохао Танг, Дональд Дж. Зак, Синтия А. Берлинике, Дж. Ломакс Бойд, Тимоти Д. Harris, Erik C. Johnson, Brett J. Kagan, Jeffrey Kahn, Alysson R. Muotri, Barton L. Paulhamus, Jens C. Schwamborn, Jesse Plotkin, Alexander S. Szalay, Joshua T. Vogelstein, Paul F. Worley and Thomas Hartung, 27 февраля 2023 г., Frontiers in Science . DOI: 10.3389/fsci.2023.1017235

В число авторов проекта Johns Hopkins вошли: Брайан С. Каффо, Дэвид Х. Грасиас, Ци Хуанг, Ици Е. Моралес Пантоха, Бохао Танг, Дональд Дж. Зак, Синтия А. Берлинике, Дж. Ломакс Бойд, Тимоти Д. Харрис, Эрик К. Джонсон, Джеффри Кан, Бартон Л. Полхамус, Джесси Плоткин, Александр С. Салай, Джошуа Т. Фогельштейн и Пол Ф. Уорли.

В число других авторов вошли: Бретт Дж. Каган из Cortical Labs, Алиссон Р. Муотри из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Йенс К. Швамборн из Люксембургского университета.