Vědci sestrojili hybridní biopočítač, který kombinuje vypěstovanou lidskou mozkovou tkáň s elektronikou. Spotřebuje mnohem méně energie než křemíkové čipy

Vědci sestrojili hybridní biopočítač, který kombinuje laboratorně vypěstovanou lidskou mozkovou tkáň s běžnou elektronikou a dokáže plnit úkoly, jako je například rozpoznávání hlasu. Taková technologie může být jednoho dne integrována do systémů umělé inteligence nebo tvořit základ vylepšených modelů mozku v neurovědním výzkumu, píše portál Live Science.

Systém vyvinutý výzkumníky pod vedením Fenga Gua na Indiana University Bloomington byl pojmenován Brainoware. Obsahuje organoidy lidského mozku integrované s elektronikou. Ve studii zveřejněné v časopise Nature Electronics vědci použili Brainoware k rozpoznávání řeči, ale autoři systému tvrdí, že tento typ řešení integrovaný s algoritmy umělé inteligence má velký potenciál, už jen proto, že takové systémy spotřebují mnohem méně energie než křemíkové čipy.

„‚Toto je pouze důkaz konceptu, který ukazuje, že můžeme tuto práci udělat,“ říká Feng Guo. „Máme před sebou ještě dlouhou cestu,“ dodává.

Biopočítač z organoidů

Organoidy jsou laboratorně vypěstované malé verze různých orgánů, které si zachovávají klíčové anatomické vlastnosti orgánů v plné velikosti. Takové trojrozměrné modely jsou neocenitelným pomocníkem ve výzkumu, kde není možné nebo je neetické použít živý mozek nebo ledvinu. Vědci získávají živý orgán k testování různých konceptů. Jedná se například o testování reakcí na léky nebo pozorování vývoje za nepříznivých podmínek. Výzkum na organoidech dává vědcům možnost získat hluboké znalosti o orgánech a pochopit příčiny mnoha onemocnění.

Organoidy se pěstují z kmenových buněk, které se mohou diferencovat na různé typy buněk. V tomto případě byly přeměněny na neurony, podobné těm, které se nacházejí v našem mozku. „Jsou jako mini mozky,“ říká Guo a dodává, že pěstování organoidů, které jsou široké několik milimetrů a skládají se až ze 100 milionů nervových buněk, trvá dva až tři měsíce. Ve srovnání s organoidy obsahuje lidský mozek asi 100 miliard nervových buněk.

Umělá inteligence i mozek jsou založeny především na přenosu signálů prostřednictvím neuronové sítě. „Chtěli jsme zjistit, zda bychom mohli biologickou neuronovou síť v mozkovém organoidu využít pro výpočty,“ říká Guo.

Brainoware
Systém byl vytvořen umístěním organoidů na soustavu mikroelektrod, která sloužila jak k vysílání elektrických signálů do organoidů, tak k detekci reakcí nervových buněk. Vědci převedli informace, které chtěli systému předat, do vzorce elektrických impulsů dodávaných organoidu. Reakce mozkové tkáně byla zaznamenána senzorem a „dekódována“ pomocí algoritmu strojového učení.

Tým použil systém k rozpoznávání hlasu. Nejprve však bylo třeba Brainoware vyškolit. Trénink probíhal na základě sady 240 zvukových klipů, na kterých osm lidí vyslovuje japonské samohlásky. Brainoware reagoval na každý hlas jinak a generoval jiný vzorec nervové aktivity. Počáteční organoidní reakce měly přesnost kolem 30 až 40 procent. Postupem času se však umělá inteligence naučila tyto odpovědi interpretovat tak, aby lépe identifikovala mluvčího. Po vyškolení byl systém schopen identifikovat hlasy s přesností až 78 procent.

„Tomuto postupu říkáme adaptivní učení. Trénink jednoduše spočíval v tom, že se klipy přehrávaly stále dokola a neposkytovaly organoidům žádnou formu zpětné vazby, zda mají pravdu, nebo ne. Když byly organoidy vystaveny působení léku, který bránil tvorbě nových spojení mezi nervovými buňkami, nedošlo ke zlepšení přesnosti rozpoznávání hlasů,“ říká Guo.

Počítačová architektura nového druhu

„Kombinace organoidů a počítačů by mohla vědcům umožnit využít rychlost a energetickou účinnost lidského mozku pro umělou inteligenci,“ říká Guo. Tato technologie by se také mohla využít ke studiu mozku. Mozkové organoidy mohou replikovat architekturu a funkci fungujícího mozku způsobem, který jednoduché buněčné kultury nedokážou. Software Brainoware lze potenciálně využít k modelování a studiu neurologických poruch, jako je Alzheimerova choroba. Bylo by také možné testovat účinky a toxicitu různých léčebných postupů pomocí kontroly reakce organoidů.

Využití organoidů k tomuto účelu však není bez problémů. Především organoidy mohou přežít pouze měsíc, maximálně dva. Kromě toho je třeba buňky kultivovat a udržovat v inkubátorech, což bude tím obtížnější, čím větší organoidy budou. A složitější úkoly budou vyžadovat větší organoidy.

Guo upozorňuje, že u konvenční umělé inteligence existují dva hlavní problémy. Jedním z nich je vysoká spotřeba energie. Druhým jsou přirozená omezení křemíkových čipů, jako je zpracování nebo oddělení informací. Guův tým je jedním z několika, které zkoumají, zda bioinformatika využívající živé nervové buňky může pomoci tyto problémy překonat.

Guo říká, že další kroky k využití schopností Brainoware zahrnují zkoumání, zda a jak lze mozkové organoidy přizpůsobit k provádění složitějších úkolů, a jejich konstrukci tak, aby byly stabilnější a spolehlivější. To bude mít zásadní význam, pokud mají být zabudovány do křemíkových mikročipů.

Zdroj: Live Science, studie