В новейшей волне экстраординарного развития компьютеров крошечные «мозги» выращивают в чашках и подключают к цифровым интерфейсам для выполнения задач. В Cosmos Print за март 20205 года Кен Иствуд познакомил нас с исследователями в лаборатории.
В 2 сезоне «Звёздного пути», вышедшем в 1966 году, на вымышленной планете Трескелион Уильям Шатнер сталкивается с большой чашей, в которой находятся три соединённых мозга. Почти 60 лет спустя профессор Томас Хартунг из Университета Джона Хопкинса в США указывает на это в онлайн-форуме по органоидным вычислениям как на пример того, как подобные команды воплощают в жизнь невероятное.
«Капитан Кирк столкнулся в 1966 году с компьютером, построенным на мозге, который на самом деле был биологическим компьютером, что в то время было чистой научной фантастикой, а теперь мы пытаемся воплотить это в реальность», — говорит Хартунг.
Развитие органоидных вычислений
Во всём мире стремительно развивается органоидное или биологическое вычисление — объединение специально выращенных клеток мозга с цифровыми платформами.
В 2022 году австралийские исследователи из Cortical Labs успешно заставили свой «Dishbrain» играть в простую компьютерную игру Pong.
В прошлом году китайские исследователи показали, что их биокомпьютер с открытым исходным кодом MetaBOC использует клетки человеческого мозга для управления роботами. Такие компании, как Final Spark и Cortical Labs, разрабатывают коммерческое оборудование — подключаемые системы мозговых компьютеров, которые можно купить или использовать через облако.
В Университете Джона Хопкинса и других учреждениях по всему миру исследователи быстро разрабатывают всё: от этических рамок для экспериментов с этими новыми биокомпьютерами до новых методов взаимодействия с ними и их «обучения».
Сторонники говорят, что практическое применение органоидных компьютеров может быть безграничным. Представьте, например, что вы тестируете новое лекарство, скажем, от болезни Альцгеймера, эпилепсии или деменции, и можете напрямую спросить органоидный компьютер, как лекарство влияет на него.
Исследователи воодушевлены и другими преимуществами: потенциальной скоростью вычислений, обработкой данных и энергоэффективностью. Человеческий мозг может быть медленнее машин в обработке простой информации, такой как математическая задача, но он намного превосходит машины в обработке сложной информации, особенно когда есть неопределённые данные.
В отличие от кремниевых конструкций, люди могут выполнять параллельную обработку (выполнение отдельных частей общей задачи одновременно). Суперкомпьютерам требуется много минут, чтобы смоделировать даже часть человеческого мозга, и для этого они используют огромное количество энергии — примерно в миллион раз больше. Потребовалось бы строительство огромных новых электростанций, чтобы в цифровом виде воспроизвести активность даже одного человеческого мозга.
«Потенциал [органоидных вычислений] огромен, и мы не можем ни с чем его сравнить», — говорит научный футурист, технологический инфлюенсер и автор доктор Кэтрин Болл. «Человеческий нейрон всегда побеждает кремниевое творение — это лучший способ. Поэтому использование лучшего вида познания — человеческого мозга — в крошечной форме кажется логичным. Это имеет большой смысл».
Органическое развитие
Профессор Дэвид Грасиас из Университета Джона Хопкинса — один из 20–30 ведущих исследователей, работающих напрямую или косвенно над биовычислениями. Он отмечает, что органическое вычисление развивалось не изолированно, а прогрессировало в это время, потому что одновременно объединился целый набор технологий — способность поддерживать жизнь клеток в чашке в течение нескольких месяцев, мощность ИИ, помогающая проводить многочисленные эксперименты и интерпретировать массивы данных, которые они производят, и микропроводка на цифровом интерфейсе для подключения к органоидам.
Грасиас говорит, что исследователи из Университета Джона Хопкинса начали работать над органическими вычислениями несколько лет назад. «Если люди пытаются подражать мозгу в кремниевом чипе в современных нейроморфных вычислениях, почему бы не подражать мозгу самому мозгу, вместо того чтобы пытаться его имитировать?» — спрашивает он.
Органоиды, над которыми он работает, содержат около 10 000 клеток человеческого мозга — вместе они составляют крошечный шарик размером примерно до 0,5 мм в поперечнике. В других частях мира используются более мелкие или более крупные органоиды. Но даже процесс поддержания жизни органоидов отнимает много времени и заставляет задуматься.
«Если у вас нет кровеносных сосудов, вы не можете вырастить то, что больше нескольких сотен микрометров в поперечнике», — говорит Грасиас. «Если они станут больше, то центр начнёт отмирать. Поэтому мы и другие очень стараемся и разрабатываем инструменты, чтобы понять, как создать кровеносные сосуды в них [чтобы сохранить их живыми]».
Кроме того, органоиды — это «мокрое оборудование» — их нужно держать в жидкой среде, чтобы выжить, что усложняет подключение к ним цифровых компьютеров с помощью электричества. «Вода — враг компьютеров, потому что она замыкает цепь», — говорит он.
«Это станет парадигмой сдвига в компьютерах, которая должна научиться создавать компьютеры, в которых есть вода, которая может поддерживать среду «перфузии» [или течения]».
Вызовы цифрового подключения к органоидам
Ещё одна задача, над которой специально работает Грасиас, — это то, как лучше всего подключиться к органоидам на цифровом уровне. Соединения используются как для стимуляции органоида (например, подачи тока в нейрон), так и для получения любого электрического ответа.
В простых моделях органических вычислений органоиды хранятся в виде небольших двумерных структур, что упрощает подключение проводов к нейронам. Однако для более точного воспроизведения множества видов деятельности, которые могут происходить в мозге, когда несколько нейронов взаимодействуют друг с другом, требуются трёхмерные структуры. Размещение одного из этих маленьких шариков активности мозга на двумерном интерфейсе ограничивает цифровой контакт со структурой всего парой точек — не идеальный результат, когда вы пытаетесь отслеживать, что происходит по всей структуре.
«Мы стремимся к решению сложных задач, — говорит Грасиас. — Одна из них — стимулировать и отслеживать каждую клетку в органоиде в режиме реального времени».
Вдохновлённый ЭЭГ-шапочкой для измерения мозговой активности, Грасиас работал над крошечной оболочкой, которая могла бы обернуть вокруг микроскопических трёхмерных органоидов мозга, регистрируя активность во многих точках.
«Одна из проблем с мини-ЭЭГ-шапочкой заключается в том, что на них много проводов, — говорит он. — Так что мы сейчас также думаем об электронных татуировках или бесконтактных или беспроводных, чтобы нам не нужны были все провода… Может быть, мы сможем использовать свет или электромагнитные поля».
Конечно, просто отправка и получение сигналов от органоидов не означает, что мы обязательно знаем, что означают эти сигналы, поэтому многие текущие исследования включают отправку миллионов сигналов в органоиды, чтобы понять, как они реагируют, и как эти реакции меняются со временем, то есть как они «учатся» реагировать на что-то вроде игры в Pong.
«Вы и я говорим по-английски, но мозг говорит на языке химических и электрических сигналов, — говорит Грасиас. — Мы должны выучить язык мозга, а это нетривиальная задача. Мы можем стимулировать и можем записывать, но тогда мы не знаем, что стимулировать, и не знаем, как интерпретировать запись. Так что мы учим этот язык. Из этого выходит много данных, поэтому нам нужны специалисты по данным, потому что органоиды мозга срабатывают в миллисекундном масштабе, так что вы получаете много данных очень быстро».
Грасиас говорит, что обучение органоидных компьютеров задаче — это как учить маленького ребёнка, с поощрениями и наказаниями. «По сути, мы должны выяснить, что нравится органоиду мозга. И вы даёте ему шаблон, и если он повторяет шаблон, вы даёте ему какое-то вознаграждение. Это может быть электрический всплеск или химическое вещество. А если он делает что-то, что вы не хотите, чтобы он повторял, вы как бы даёте ему то, что ему не нравится».
Некоторые из текущих исследований, в которых участвует Грасиас, включают введение органоидам нейрохимических веществ, таких как дофамин. «Мы пытаемся создать мультимодальную оболочку, которая может стимулировать и регистрировать как химические, так и электрические стимулы. Мы добились большого прогресса в этом».
Масштабирование
Доктор Бретт Каган из Cortical Labs. После того как компания Cortical Labs произвела фурор, сыграв в Pong своим «Dishbrain», доктор Бретт Каган и команда поставили перед компанией задачу не ограничиваться чисто исследованиями, а вместо этого предоставить жизнеспособный коммерческий продукт для органоидных вычислений, которым могли бы пользоваться другие.
Похожий на компьютерный мейнфрейм или сервер, продукт, который готовится к коммерческому выпуску, имеет 40 биовычислительных блоков в стойках, все соединены вместе на цифровом уровне с 60 контактными точками на культуру. На этом этапе ожидается, что отдельные клеточные культуры будут выживать в течение 6 месяцев или около того, прежде чем потребуется замена. В следующем году крупные учреждения смогут купить либо отдельные блоки, либо целые серверные стойки для своих исследовательских программ.
Даже сейчас учреждения по всему миру используют существующие устройства Cortical Labs для исследований через облако. «Мы действительно расширились, преимущественно за последние 12 месяцев или около того», — говорит Каган. В компании теперь работает 16–17 человек. «Я подозреваю, что мы всё ещё находимся на самых начальных стадиях снежного кома».
Он говорит, что, хотя Cortical Labs по-прежнему активно участвует в собственных исследованиях в области органоидных вычислений, основатели компании поняли, что многим учёным необходимо получить доступ к работающим органоидным устройствам для продвижения исследований в этой области.
«Было действительно обнадеживающе видеть, как многие другие люди начали возвращаться и заниматься этим гораздо более серьёзно и глубже с момента, когда ранняя работа установила жизнеспособность этого подхода», — говорит Каган.
«Мы одни не можем ответить на все основные научные вопросы, и если мы хотим, чтобы эта отрасль работала, мы должны дать возможность другим задавать и отвечать на свои вопросы. Мы очень сотрудничаем — будь то с другими компаниями или с лабораториями — наша цель — как мы можем сделать эту технологию доступной для как можно большего числа людей?»
Каган говорит, что в исторических золотых лихорадках люди, гарантировавшие себе деньги, продавали кирки и лопаты. «И это был наш подход. Нам не нужно быть теми, кто найдёт золото, если мы сможем просто помочь обеспечить доступ».
Прогресс и будущее
Органические вычисления — «здесь, чтобы остаться, и они изменят мир», — говорит доктор Фред Джордан, чья компания Final Spark также предоставляет онлайн-доступ к своим банкам трёхмерных органоидов. Вы даже можете наблюдать за происходящими экспериментами в прямом эфире на сайте компании.
«Нейроны, которые у нас есть, могут быть доступны исследователям удалённо, и мы делимся этими нейронами с 9 университетами», — говорит Джордан. «Сейчас мы используем систему бронирования, где все университеты могут бронировать несколько часов, включая нас. Так что они используются круглосуточно».
Джордан говорит, что уникальный подход Final Spark заключается в том, что их органоиды находятся в «воздушно-жидкостном интерфейсе». Это означает, что органоид не погружен в жидкую среду. Большинство из них на самом деле находятся вне жидкости в контакте с воздухом, но есть ещё очень тонкий слой жидкой среды на поверхности и он находится на пористой мембране, где расположены электроды.
Каждый органоид Final Spark подключён к 8 электродам, что, по его словам, достаточно для текущих исследований. «Мы не собираемся самостоятельно подключать миллионы аксонов и дендритов… Что мы должны сделать, так это найти правильный набор стимуляций, будь то электрические или химические, чтобы вся сеть переконфигурировала себя, чтобы обеспечить правильный ответ на конкретный вход, что является определением обучения, верно?»
Он говорит, что часть проблемы и красоты органоидных вычислений заключается в том, что кластеры клеток со временем меняются. «Если вы одновременно стимулируете все электроды, ответ будет зависеть от нескольких факторов, от органоидов и от времени стимуляции. Если вы проведёте этот эксперимент в первый день или на 100-й день, например, реакция будет другой».
Этические вопросы
Грасиас из Университета Джона Хопкинса говорит, что о органоидах часто задают вопрос, нужен ли им сон. «Я не знаю. Я имею в виду, что такое сон?» — говорит он. «Эти вещи создают очень глубокие вопросы, например, что такое сознание?»
Джордан говорит, что Final Spark начал изучать вопрос сна у органоидов около 6 месяцев назад, и теперь все их органоиды отдыхают каждые 24 часа. «Мы рассматривали это как машину, но это, наверное, ошибка», — говорит он. «Это живой организм, и мы должны позаботиться о том, чтобы он находился в хорошей ситуации для выполнения задач. Мы не навязываем сон, но с помощью некоторых молекул мы можем вызвать состояние, похожее на сон, в некоторые периоды. Я думаю, что это действительно уместно, чтобы задавать себе такие вопросы».
Хартунг и команда из Университета Джона Хопкинса возглавили международный форум, который создал и опубликовал в 2023 году Балтиморскую декларацию об исследовании органоидного интеллекта — этические рамки для продвижения вперёд в этой относительно новой отрасли. В нём отмечается, что «нам также необходимо предвидеть… и решать значительные и в значительной степени неизведанные этические проблемы, связанные с этими исследованиями. Мы должны быть начеку в отношении любой возможности того, что органоиды могут развить формы или аспекты сознания».
Другие этические проблемы связаны с минным полем, когда организм развивает чувствительность или сознание, и могут ли органоиды чувствовать боль, особенно когда к ним подключают внешние «чувствующие» устройства, такие как датчики света или химические датчики.
Каган из Cortical Labs говорит, что все исследователи, работавшие над Балтиморской декларацией, на каждом этапе работают вместе с этиками. «Мы не ждём, пока случится возмущение. Мы выясняем, как мы можем построить это вместе не только с этическим сообществом, но и с обществом в целом».
Страхи и реальность
Худшие опасения по поводу органических вычислений, подпитываемые дистопической научной фантастикой, включают глубоко укоренившийся ужас, что эти органические компьютеры могут обрести разум и контроль. Даже в эпизоде «Звёздного пути» 1966 года три мозга в чашке, с которыми столкнулся капитан Кирк, были на самом деле продвинутыми эволюционировавшими формами жизни, которым не нужны были тела, и которые теперь использовали другие виды, включая людей, в смертельных гладиаторских боях для развлечения.
Джордан говорит, что на данном этапе нам не стоит слишком беспокоиться об этом. «Дело в том, что на данный момент у нас несколько тысяч нейронов. Так что мы больше в сфере москитов, чем людей. Но это всё ещё хороший вопрос для будущего, потому что масштабируемость есть».
Когда его спросили о временных рамках и о том, когда органические компьютеры смогут выполнять более сложные задачи, Грасиас улыбается. «Я думаю, есть шутка, что учёные всегда говорят: «5 лет или что-то в этом роде», но вы знаете, это очень нелинейно. Есть цитата, приписываемая Йоги Берре, которая гласит: «Трудно делать прогнозы, особенно о будущем». Так что мы действительно не знаем».