Považovali ste umelú inteligenciu za technologický vrchol? Na svete sú biopočítače z ľudských buniek. Jeden sa už naučil hrať počítačovú hru.
Prvý počítač s ľudskými neurónmi CL1. Zdroj: Cortical Labs
V najnovšej vlne mimoriadneho počítačového vývoja sa drobné „mozgy“ pestujú v miskách a pripájajú sa k digitálnym rozhraniam na vykonávanie úloh.
V roku 2022 sa austrálskym výskumníkom v Cortical Labs podarilo úspešne prinútiť ich „miskový mozog“ hrať jednoduchú počítačovú hru Pong. Minulý rok čínski výskumníci odhalili, že ich open-source biopočítač MetaBOC využíva ľudské mozgové bunky na ovládanie robotov.
Mozgy na predaj
Spoločnosti ako švajčiarsky Final Spark a austrálsky Cortical Labs teraz vyvíjajú komerčný hardvér – zásuvné mozgové počítačové systémy –, ktorý si môžete kúpiť alebo používať prostredníctvom cloudu.
Na Univerzite Johnsa Hopkinsa v USA a ďalších inštitúciách po celom svete výskumníci rýchlo vyvíjajú všetko od etických rámcov pre experimentovanie s týmito novými biopočítačmi až po nové metódy, ako s nimi spolupracovať a ako ich učiť.
Nespočetné výhody
Zástancovia tvrdia, že praktické využitie organoidných počítačov by mohlo byť nespočetné. Predstavte si napríklad, že by ste testovali nový liek, povedzme na Alzheimerovu chorobu, epilepsiu alebo demenciu, a mohli by ste sa priamo opýtať organoidného počítača, ako naň liek pôsobí. Výskumníkov nadchýnajú aj ďalšie výhody: potenciálna výpočtová rýchlosť, spracovanie a energetická účinnosť.
Ľudský mozog stále prekonáva stroje
Aj keď je ľudský mozog pomalší pri jednoduchých úlohách, v spracovaní zložitých a neistých informácií výrazne prevyšuje stroje a pri tom spotrebuje neporovnateľne menej energie. Digitálna simulácia jeho činnosti by si vyžadovala obrovské zdroje, čo podčiarkuje potenciál organoidných výpočtov. Podľa Dr. Catherine Ballovej je logické využiť samotné neuróny ako „najlepší spôsob poznávania“.
Profesor David Gracias dodáva, že pokroky v tejto oblasti umožnila kombinácia viacerých technológií – od dlhodobého udržiavania buniek nažive cez umelú inteligenciu pri analýze dát až po mikrovodiče spájajúce organoidy s digitálnymi rozhraniami. Ako hovorí: „Ak sa snažíme napodobniť mozog na čipe, prečo jednoducho nepoužijeme mozog samotný?“
Vizualizácia predstavuje, ako sú organoidy napojené na digitálne rozhranie. Zdroj: Cortical Labs
Ako organoidy udržíme nažive?
Organoidy obsahujú asi 10 000 mozgových buniek v guľôčke veľkej pol milimetra. Bez krvných ciev však nedokážu rásť nad určitú veľkosť, pretože vnútro začne odumierať. Vedci preto vyvíjajú spôsoby, ako do nich zaviesť cievy. Organoidy musia byť navyše uchovávané v kvapaline, čo komplikuje ich prepojenie s elektronikou.
Ďalšou výzvou je digitálne prepojenie, teda schopnosť stimulovať organoidy a zároveň zachytávať ich odpovede. Kým 2D štruktúry umožňujú jednoduché napojenie, pri 3D guľovitých organoidoch je kontakt obmedzený. Gracias preto vyvíja riešenia podobné EEG čiapkam alebo elektronickým tetovaniam, ktoré by umožnili bezdrôtové snímanie aktivity. Signály však treba ešte interpretovať. Preto sa organoidy vystavujú miliónom podnetov, aby sa sledovalo, ako sa ich reakcie menia a ako sa učia reagovať napríklad pri jednoduchých hrách.
Učenie sa jazyka mozgu
„Mozog komunikuje chemickými a elektrickými signálmi a my sa musíme naučiť tento jazyk,“ vysvetlil Gracias. Stimulácia a záznam sú možné, no interpretácia signálov ostáva zložitá. Keďže organoidy reagujú v milisekundách, vznikajú obrovské objemy dát, čo vyžaduje zapojenie dátových vedcov.
Tréning organoidov pripomína učenie dieťaťa prostredníctvom odmien a trestov. Ak zopakujú želaný vzorec, dostanú stimul, napríklad dopamín. Pri neželanom správaní nasleduje nepríjemný podnet. Výskumníci preto vyvíjajú zariadenia schopné zaznamenávať a stimulovať elektrické aj chemické reakcie súčasne.
Spoločnosť Cortical Labs, známa experimentom Dishbrain, posúva výskum smerom ku komerčným produktom. Vyvíja biopočítač so 40 organoidnými jednotkami prepojenými cez 60 kontaktných bodov. Jednotlivé kultúry fungujú približne pol roka, potom ich treba nahradiť. V najbližších rokoch si budú môcť inštitúcie kupovať celé racky alebo jednotky, pričom už dnes sú dostupné cez cloud. Podľa Bretta Kagana sa záujem o ne zvyšuje, a hoci firma stále robí vlastný výskum, jej cieľom je umožniť prístup k organoidným počítačom čo najširšej vedeckej komunite.
Krompáče, nie zlato
Kagan prirovnáva stratégiu spoločnosti Cortical Labs k zlatej horúčke. Jej cieľom nie je nájsť zlato, ale dodávať nástroje na kopanie zlata. Preto výskumníci museli vyvinúť vlastný hardvér aj softvér, keďže bežné riešenia tomu nevyhovovali. Zatiaľ čo prvý funkčný experiment s hrou Pong zabral vývojárovi až 18 mesiacov, dnes platforma umožňuje podobné projekty vyvíjať desiatky ráz rýchlejšie.
Výskum ukazuje, že reakcie organoidov sú plné prekvapení, čo robí vedu fascinujúcou. Aktuálne analýzy rozlišujú aj jemné rozdiely medzi druhmi signálov, nielen jednoduché zapnutie či vypnutie. Cortical Labs pritom kombinuje 2D aj 3D organoidy. Dvojrozmerné modely sú jednoduchšie, lepšie škálovateľné a vyvolávajú menej etických otázok než zložité 3D štruktúry. „Na užitočné bioinžinierstvo nepotrebujeme celý mozog,“ zdôraznil Kagan.
Potrebujú organoidy spánok, aby mohli dobre fungovať? Zdroj: iStock/eyegelb
Prístup Final Spark
Podobne aj švajčiarska spoločnosť Final Spark umožňuje vzdialený prístup k svojim 3D organoidom, ktoré sú dostupné univerzitám cez rezervačný systém. Ich jedinečnosť spočíva v rozhraní vzduch – kvapalina, kde bunky ležia na membráne s tenkou vrstvou média a sú prepojené elektródami.
Organoidy sa však menia v čase, preto reakcie na rovnaký podnet nie sú nikdy úplne totožné, čo je podľa Jordana zároveň výzvou aj podstatou učenia. Táto premenlivosť otvára nové otázky: Ak organoidy vykazujú takú komplexnosť, potrebujú napríklad spať? „Čo je vlastne spánok? A čo je vedomie?“ pýtal sa Gracias.
Etické otázky a hranice
Final Spark nedávno začal organoidom dopriavať odpočinok každých 24 hodín. Je to snaha správať sa k nim viac ako k živému organizmu než k stroju. Umelým navodením spánku chcú zabezpečiť lepšie podmienky pre ich činnosť.
S rastúcim výskumom sa však čoraz viac otvára etická diskusia. Baltimorská deklarácia z roku 2023 zdôrazňuje potrebu predvídať a riešiť riziko, že organoidy by mohli nadobudnúť formy vedomia či schopnosť cítiť bolesť, najmä pri pripojení k senzorom. Dystopické obavy živia predstavy sci-fi, no Jordan upozorňuje, že dnešné organoidy sa svojou komplexnosťou skôr podobajú komárovi než človeku.
Otázka budúcnosti však zostáva otvorená. Ako hovorí Gracias: „Predpovede sú ťažké, najmä o budúcnosti.“
Zdroj: Cosmos magazine, Cortical Labs
(LDS)
