Ученые из Университета Индианы в Блумингтоне создали органоид мозга из стволовых клеток, подключили его к компьютерному чипу и соединили свою установку под названием Brainoware к инструментам искусственного интеллекта. Они обнаружили, что эта гибридная система способна обрабатывать, изучать и запоминать информацию. Она даже смогла выполнить некоторые рудиментарные функции распознавания речи. Исследование продемонстрировало потенциал нового типа гибридных биокомпьютеров. В дальнейшем это может привести к созданию новых видов биокомпьютеров, более эффективных, чем обычные.
Зачем нужен биокомпьютер
Ученые уже несколько десятилетий пытаются создать компьютеры на основе передовых биологических систем. Эти гибриды смогут преодолеть некоторые проблемы компьютеров на основе кремния, особенно с обработкой данных. Обычные компьютеры гораздо лучше мозга справляются с обработкой чисел, но человеческий мозг лучше работает со сложной информацией, потребляя при этом относительно мало энергии.
Что такое Brainoware
Органоид мозга — это самоорганизующаяся трехмерная ткань, полученная из эмбриональных стволовых клеток человека или плюрипотентных стволовых клеток и способная имитировать архитектуру и функциональность человеческого мозга.
Эти кластеры клеток можно подключить к электронному чипу, что и сделали ученые в исследовании, которое описали в журнале Nature Electronics. Оказалось, что органоиды мозга способны выполнять простые вычислительные задачи.
Чтобы создать Brainoware, исследователи поместили один органоид на пластину с тысячами электродов — так они соединили ткани мозга с электрическими цепями. Затем они преобразовывали входную информацию в схему электрических импульсов и подавали их на органоид. Реакция ткани улавливалась датчиком и декодировалась с помощью алгоритма машинного обучения.
Создавая Brainoware, ученые стремились использовать настоящие клетки мозга для передачи и получения информации. Когда исследователи применили электрическую стимуляцию к созданной ими гибридной системе, Brainoware отреагировала на эти сигналы, и в ее нейронных сетях произошли изменения. По мнению исследователей, этот результат говорит о том, что гибридная система действительно обрабатывает информацию и, возможно, даже может выполнять вычислительные задачи без присмотра.
Что удалось обнаружить ученым
Затем ученые попытались проверить, сможет ли Brainoware выполнять какие-либо полезные задачи. Они провели контрольный тест на распознавание речи. Чтобы проверить возможности Brainoware, команда использовала метод для распознавания голоса, обучив систему на 240 записях речи 8 человек. Они произносили японские гласные. Записи преобразовывали в электрические сигналы и подавали на систему Brainoware. Органоид генерировал различные модели нейронной активности в ответ на каждый голос. ИИ научился интерпретировать эти реакции, чтобы идентифицировать говорящего с точностью до 78%.
Таким образом, исследователи обнаружили, что система «мозг-органоид-ИИ» может декодировать сигналы из аудиозаписей, что является формой распознавания речи. Предыдущие эксперименты показали, что только двумерные культуры клеток нейронов способны выполнять подобные вычислительные задачи. Впервые это было продемонстрировано в трехмерном органоиде мозга.
Какие есть недостатки исследования
Однако использование живых клеток для вычислений не лишено проблем. Одна из главных проблем — как сохранить органоиды живыми и в рабочем состоянии. Клетки нужно выращивать и поддерживать в инкубаторах. И чем больше будет органоид, тем сложнее это сделать. В свою очередь, более сложные задачи требуют более крупных «мозгов».
Лена Смирнова, доцент кафедры общественного здравоохранения Университета Джона Хопкинса, отмечает, что органоиды мозга не способны воспринимать речь на слух, а лишь демонстрируют реакцию на импульсы электрической стимуляции из аудиозаписей. Кроме того, исследование не показало, могут ли органоиды мозга обрабатывать и хранить информацию в течение длительного времени или обучаться нескольким задачам. Тем не менее, это хорошая демонстрация, показывающая возможности органоидов мозга.
Какие перспективы
Технологию можно задействовать для изучения мозга, поскольку органоиды способны воспроизводить архитектуру и функции работающего мозга так, как не могут простые клеточные культуры. В перспективе Brainoware можно использовать для моделирования и изучения неврологических расстройств, например, болезнь Альцгеймера. Его также можно использовать для тестирования эффектов и токсичности различных методов лечения.
По словам ученых, чтобы развить возможности Brainoware, их следующие шаги будут направлены на изучение того, можно ли адаптировать органоиды мозга для выполнения более сложных задач и как это сделать. Также они планируют создать более стабильные и надежные органоиды. И это особенно важно, если их встраивать в кремниевые микрочипы, которые сейчас используются в вычислениях с искусственным интеллектом. Сочетание органоидов и микросхем позволит исследователям использовать скорость и энергоэффективность человеческого мозга для ИИ.