US-Wissenschaftler planen, einen Computer aus einer Platte menschlicher Gehirnzellen zu bauen

Wir wissen, dass Wissenschaftler eine Platte mit Gehirnzellen gezüchtet und ihnen das Tischtennisspielen beigebracht haben.

Und jetzt wollen sie diese Gehirnzellen tatsächlich nutzen, um einen Computer zu bauen?

In einem am 28. Februar in Science Frontiers veröffentlichten Artikel beschreibt ein Team von Wissenschaftlern seinen Plan, 3D-Klumpen menschlicher Gehirnzellen, auch Gehirnorganoide genannt, in Maschinen umzuwandeln, die in der Lage sind, fortgeschrittene Aufgaben für Rechenaufgaben auszuführen .

Papieradresse: https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1017235

Um es ganz klar auszudrücken: Es geht darum, eine zu entwickeln System aus menschlichen Gehirnzellen Angetriebener „biologischer Computer“.

„Während siliziumbasierte Computer sicherlich besser im Rechnen sind, ist das Gehirn besser im Lernen“, sagte John Hartung, Professor für Mikrobiologie an der Johns Hopkins University.

Diesmal haben sich kohlenstoffbasierte Organismen endlich durchgesetzt?

Das ist richtig, diese Platte mit Gehirnzellen, die Tischtennis spielen kann

Diese Wissenschaftler der Johns Hopkins University schlagen vor, dass im Labor gezüchtete „Mikrogehirne“ eines Tages miteinander verbunden werden können, um als leistungsstarker und effizienter biologischer Computer zu fungieren .

Obwohl KI inzwischen unser Leben übernommen zu haben scheint, glauben diese Wissenschaftler, dass etwas, das „organoide Intelligenz“ oder OI genannt wird und von lebenden menschlichen Gehirnzellen angetrieben wird, eines Tages jede KI übertreffen und effizienter sein könnte.

Nach der Geburt von ChatGPT gibt es überall Warnungen, dass Menschen durch KI ersetzt werden. Werden wir nun endlich wieder ins Spiel kommen, wenn wir uns auf unsere eigenen Gehirnzellen verlassen?

Was genau ist dieses legendäre „Organoid“?

Tatsächlich handelt es sich um eine dreidimensionale Masse aus biologischem Gewebe.

Vergrößertes Bild von Gehirnorganoiden, hergestellt in Thomas Hartungs Labor, gefärbt, zeigt Neuronen in Magenta, Kerne in Blau und andere unterstützende Zellen in Rot und Grün

Die Wissenschaftler nannten dieses Feld. Es ist „organoide Intelligenz“. (OI).

Seit fast zwei Jahrzehnten verwenden Wissenschaftler winzige Organoide – im Labor gezüchtetes Gewebe, das ausgewachsenen Organen ähnelt –, um Experimente an Nieren, Lungen und anderen Organen durchzuführen, ohne dass Menschen- oder Tierversuche erforderlich sind.

Kürzlich untersuchten Hartung und Kollegen Gehirnorganoide, stiftspitzengroße Kugeln mit Neuronen und anderen Merkmalen, von denen erwartet wird, dass sie Funktionen wie Lernen und Gedächtnis aufrechterhalten.

Thomas Hartung, der Leiter des Teams und Professor für Umweltgesundheitswissenschaften an der Johns Hopkins University, sagte: „Die Technologie zur Erzielung von Bioinformatik ist jetzt ausgereift. Wir hoffen, dass einige Funktionen des menschlichen Gehirns als OI implementiert werden können.“ , wie zum Beispiel nach „Schnelle Entscheidungen treffen mit unvollständigen und widersprüchlichen Informationen (intuitives Denken)“

Wichtige Informationen zum Thema „Organoide Intelligenz“ (OI)

Zu diesem Team gehören auch Leute von Cortical Mitglieder von Labs, sie sind die Gruppe von Wissenschaftlern, die eine Platte mit Gehirnzellen gezüchtet haben, die Tischtennis spielen können. Tatsächlich ist dies ein bekanntes Rezept und ein vertrauter Geschmack.

Die Verwendung von Organoiden für Experimente hat viele Vorteile für Wissenschaftler, da Menschen- oder Tierversuche umgangen werden können.

Hartung sagte in einer Erklärung: „Organoide ermöglichen die Erforschung der Funktionsweise des menschlichen Gehirns. Weil man damit beginnen kann, das System zu manipulieren und Dinge zu tun, die mit dem menschlichen Gehirn ethisch nicht möglich sind.“ Was für ein dunkler Wissenschaftler...

Das menschliche Gehirn ist stärker als ein Computer

Wenn ein menschliches Gehirn mit einem Computer konkurriert, wer kann dann gewinnen?

Nach Hartungs Ansicht sind moderne Computer immer noch schwach gegenüber dem menschlichen Gehirn.

„Frontier ist Kentuckys neuester Supercomputer, der 600 Millionen US-Dollar kostet und eine Fläche von 6.800 Quadratmetern einnimmt. Erst im vergangenen Juni übertraf er zum ersten Mal die Rechenleistung eines einzelnen menschlichen Gehirns – aber die Energiemenge, die er verbrauchte, betrug das Millionenfache mehr.“

Hartung gab zu, dass Computer zwar Berechnungen mit Zahlen und Daten schneller verarbeiten als Menschen, das Gehirn jedoch viel schlauer ist, wenn es darum geht, komplexe logische Entscheidungen zu treffen, wie zum Beispiel die Unterscheidung zwischen Katzen und Hunden. .

Ein weiteres Beispiel: Als er die Idee demonstrierte, dass „Computer auf Siliziumbasis zwar besser in Zahlen sind, das Gehirn aber besser im Lernen“, führte er das Beispiel an, dass AlphaGo zwar 2017 den weltbesten Go-Spieler besiegte, dies aber der Fall war Bisher wurden Daten aus 60.000 Spielen für das Training genutzt.

Und man müsste 175 Jahre lang fünf Stunden am Tag spielen, um diese Spiele zu beenden.

Siliziumcomputer sind an ihre Grenzen gestoßen

Seit 2012 programmiert Hartung Zellen in menschlichen Hautproben in embryonale Stammzellen um, kultiviert anschließend Gehirnzellen und baut funktionsfähige Organoide zusammen.

Jedes Organoid enthält etwa 50.000 Zellen, etwa so groß wie das Nervensystem einer Fruchtfliege. Er stellt sich nun vor, dieses Gehirnorganoid zum Bau eines futuristischen Computers zu verwenden.

Hartung sagte, Computer, die auf dieser „biologischen Hardware“ laufen, könnten den Energiebedarf des Supercomputings im nächsten Jahrzehnt verringern, der immer unhaltbarer wird.

„Die Kapazität des Gehirns, Informationen zu speichern, ist atemberaubend und wird auf 2.500 Terabyte geschätzt“, sagte Hartung.

„Wir stoßen an die physikalischen Grenzen von Siliziumcomputern, weil wir nicht mehr Transistoren in einen winzigen Chip unterbringen können. Aber das Gehirn ist völlig anders verdrahtet, mit etwa 100 Milliarden Neuronen, die über mehr als 1.015 Verbindungspunkte miteinander verbunden sind.“

16 Jahre Forschung zeigen, dass das Gedächtnis des menschlichen Gehirns das gesamte Internet speichern kann.

Da Organoide Zellen teilen, die es unserem eigenen Gehirn ermöglichen, Informationen zu erfassen und zu speichern, eignen sich Hirnklumpen besonders für Rechenaufgaben, bei denen es darum geht, schnell und ohne großen Energieaufwand zu lernen, bevor die Informationen im Gehirn in kompakten neuronalen Verbindungen gespeichert werden.

So können sie auch komplexe Gehirnnetzwerke erstellen, die leistungsfähigere Berechnungen unterstützen.

Aber was ist, wenn die organoide Intelligenz oder der biologische Computer, den diese Wissenschaftler erschaffen wollen, versagt?

Hartung sagte, dass organoide Intelligenz keine Bedrohung für KI oder menschliche Gehirne darstellt, die mit altmodischen Methoden gezüchtet wurden.

Es ist jedoch an der Zeit, die Produktion von Gehirnorganoiden zu steigern und mithilfe von KI-Training einige der Mängel unserer bestehenden Siliziumsysteme zu überwinden.

„Es wird Jahrzehnte dauern, bis wir mit Computern auf Augenhöhe sind“, sagte Hartung. „Aber wenn wir jetzt nicht mit der Planung beginnen, wird es viel schwieriger.“

Hartung sagte, es könnte Jahrzehnte dauern, bis organoide Intelligenz Systeme antreibt, die so intelligent sind wie Mäuse.

Aber durch die Ausweitung der Produktion von Gehirnorganoiden und deren Training mit KI ist absehbar, dass dieser biologische Computer über eine überlegene Rechengeschwindigkeit, Verarbeitungsleistung, Dateneffizienz und Speicherkapazität verfügen wird.

Und organoide Intelligenz könnte auch die Drogentestforschung für neurologische Entwicklungsstörungen und Neurodegeneration revolutionieren.

Lena Smirnova, Assistenzprofessorin für Umweltgesundheit und Ingenieurwesen an der Johns Hopkins University, sagte: „Wir wollten normale Gehirnorganoide von Spendern mit Gehirnorganoiden von autistischen Spendern vergleichen.“

„Die Biocomputing-Tools, die wir entwickeln.“ , ähnlich denen, die es uns ermöglichen, Veränderungen in neuronalen Netzwerken bei Autismus zu verstehen, können verstehen, warum Patienten diese kognitiven Beeinträchtigungen haben, ohne Tiere zu verwenden oder Patienten zu berühren von Menschen zu biologischen Computern ausgebildet werden?

Werden sie empfindungsfähig und selbstbewusst sein oder sich sogar in Konflikt geraten fühlen?

Daran hat auch Hartungs Team gedacht. Einige seiner Mitglieder mit bioethischem Hintergrund arbeiten daran, die ethischen Auswirkungen der Arbeit mit OI zu bewerten.

Und wenn sie komplexe biologische Computer bauen wollen, gibt es ein ethisches Minenfeld, das Forscher überwinden müssen – um Miniatursimulationen des menschlichen Gehirns zu erstellen, gibt es eine rechenfähige Zelle in einem Gehirnorganoid. Mengenbeschränkungen.

Wenn Sie jedoch computertaugliche Organoide züchten möchten, müssen Sie 50.000 Neuronen auf 10 Millionen erweitern.

Und mit zunehmender Rechenleistung werden diese miteinander verbundenen Organoide zwar nicht vollständig empfindungsfähig, aber wahrscheinlich eine Form von Intelligenz erlangen.

Damit sind wir wieder bei der uralten Frage: Was ist Bewusstsein?

Einer der Autoren der Arbeit, der Neurowissenschaftler Alysson Muotri von der University of California, San Diego, sagte: „Heute wissen wir, dass diese Organoide das neuronale Oszillationsverhalten der kortikalen Entwicklung nachahmen können.“ Diese neuronalen oszillierenden Verhaltensweisen sind Gehirnwellen.

Außerdem verschwinden diese Schwingungen unter Narkose allmählich, was auch beim menschlichen Gehirn ähnlich ist. „

„Um die Organoide in den Bereich des Bewusstseins zu bringen, führen wir einige Stimulationen durch, um PCI zu sammeln“, sagte Muotri. PCI ist ein von einigen Experten vorgeschlagenes Maß zur Messung des Bewusstseinsniveaus eines Organismus oder einer Entität.

Untersuchungen haben ergeben, dass im Labor hergestellte Minigehirne Gehirnwellen wie Frühgeborene erzeugen können

Aber wird sich organoide Intelligenz entwickeln? Wann wird es erscheinen?

Niemand kann es wissen. Hank Greely, Professor für Recht und Genetik an der Stanford University, ist auf die Untersuchung ethischer Fragen in neuronalen Netzen spezialisiert.

Er sagt, wir könnten eines Tages ein menschliches neuronales Organoid erschaffen, das wie ein Gehirn funktionieren und über eine gewisse Intelligenz verfügen kann. Dennoch wissen wir noch sehr wenig über die Frage: Was genau erzeugt Bewusstsein in unserem Gehirn?

„Die Anzahl der miteinander verbundenen Neuronen macht nichts Intelligentes aus“, sagte Greely.

„Organoide sind definitiv keine „Mini-Gehirne“. Sie sind nicht wie Gehirne organisiert, sie enthalten nicht viele Zelltypen und sie kommunizieren nicht ständig mit dem Körper durch Input und Output.“

Der französische Mathematiker und Philosoph René Descartes glaubte, dass Bewusstsein und Körper zwei verschiedene Dinge sind.

Angesichts verschiedener moralischer Krisen sagte Hartung: „Es gibt möglicherweise keine Technologie, die nicht unbeabsichtigte Folgen hat.“

„Obwohl es schwierig ist, solche Risiken auszuschließen, wird es nicht außer Kontrolle geraten, solange der Mensch den Input und Output sowie die Rückmeldung des Gehirns über seine Output-Ergebnisse kontrolliert. Aber wenn wir KI oder OI Autonomie geben, werden Probleme auftreten.“ entstehen.“

„Kurz gesagt, weder Siliziummaschinen noch Zellmaschinen können Menschen kontrollieren.“

In diesem Zusammenhang sagten Internetnutzer: „Echte AGI ist eine neue Lebensform, sei es auf Silizium.“ oder auf Fleisch aus dem Papier.

Warum OI-Technologie entwickeln?

Wissenschaftler waren schon immer begeistert von der Realisierung biologischer Datenverarbeitung.

Obwohl das menschliche Gehirn in Bezug auf Berechnungen nicht so gut ist wie Maschinen, ist seine Fähigkeit, komplexe und offene Probleme zu bewältigen, weitaus besser als die von Maschinen, außerdem verbraucht es weniger Energie und führt Aufgaben effizienter aus.

Organoide Intelligenz (OI) ist der neueste Versuch von Wissenschaftlern, diese Begeisterung in die Tat umzusetzen.

Forscher der Johns Hopkins University hoffen, mithilfe menschlicher Gehirnzellen künstliche Intelligenz zu schaffen. Das Team programmierte menschliche Hautzellen in einen ähnlichen Zustand wie embryonale Stammzellen und ermöglichte ihnen so, ihre Fähigkeit zur Bildung von Gehirnzellen wiederherzustellen und somit über grundlegende Funktionen wie Gedächtnis und Lernen zu verfügen.

Die Zeit ist gekommen, die OI-Technologie zu entwickeln

Die Umprogrammierung menschlicher Zellen in Stammzellen und die Entwicklung dreidimensionaler Gehirnorgane aus pluripotenten Stammzellen machen OI möglich.

Im Laufe des letzten Jahrzehnts haben sich Gehirnzellkulturen von traditionellen Monoschichtkulturen zu eher organähnlichen, organisierten dreidimensionalen Kulturen entwickelt. Institutionen wie das Center for Alternative Animal Testing an der Johns Hopkins University haben diese hocheffiziente standardisierte und skalierbare Gehirnorganoide.

Die meisten kultivierten Gehirnorgane verfügen über aktive Synapsen, die kortikale Schichten und Schwingungsmuster aufweisen, die mit denen von Frühgeborenengehirnen vergleichbar sind.

Diese Organkulturen sind auch reich an verschiedenen Zellen, die am biologischen Lernen beteiligt sind.

Vernetzung von OI mit anderen Technologien

Setzen Sie das kultivierte Gehirnorgan einer elektrischen und chemischen Stimulation aus und überprüfen Sie durch Eingabe- und Ausgabeüberwachung, ob Lernen stattfindet.

Die große Menge an Feedback-Daten, die von OI generiert werden, wird von KI mit leistungsstarker Rechenleistung analysiert. Dies erfordert die Korrelation von Organveränderungen mit spezifischen Ausgangssignalen. In diesem Prozess hat OI ein System entwickelt, das maschinelles Lernen und Statistiken integriert Informationsverarbeitung, Informationstheorie und andere multidisziplinäre Werkzeuge.

Die Ableitung der Konnektivität von Organen ist ebenfalls eine wichtige Aufgabe. Mit den Werkzeugen der Bildgebung des Gehirns und der Computerbiologie können wir den Ein- und Ausgang organoider Nervensystemverbindungen abbilden und feststellen, ob in neuronalen Schaltkreisen wirksame Verbindungen hergestellt wurden.

Es ist notwendig, eine schnelle, zuverlässige und skalierbare Infrastruktur für die Speicherung und Verarbeitung von OI-Daten bereitzustellen. Sie muss in der Lage sein, sich an die große Datenmenge anzupassen, die jede Schicht des biologischen Netzwerks berechnen und ausgeben kann haben auch die Fähigkeit, sich dynamisch zu verändern.

Die vom JHU-Team angenommene Speicherstrategie besteht hauptsächlich darin, eine Lösung ähnlich dem CERN Large Hadron Collider-Experiment zu entwickeln, bei der komplexe Auslöser für die Echtzeiterkennung von Ereignissen verwendet werden und nur Zeiten mit potenziellem Entdeckungswert gespeichert werden. Durch den Aufbau einer OI-Community kann in Zukunft schnell eine leistungsstarke und reproduzierbare Big-Data-Infrastruktur aufgebaut werden.

Weitere Verbesserung von OI

Zuallererst ist es notwendig, die Komplexität des biologischen Rechnens zu erhöhen. Organoide können die Rolle der Interaktion zwischen der Siliziumschnittstelle und der Umgebung spielen. Der Silizium-Interaktionsalgorithmus kann die Überlebensfähigkeit von OI verbessern.

Wir hoffen auch, komplexere biologische Signale in OI eingeben zu können, beispielsweise eine Eingabedarstellung, die dem menschlichen Sehen ähnlicher ist.

Fortschritte in der Molekularbiologie in der synaptischen Plastizität sind entscheidend für die OI-Optimierung. Durch die Verbesserung seiner Wachstumsbedingungen kann es die Auswirkungen des menschlichen Gehirnlernens besser zum Ausdruck bringen.

Vision für die OI-Technologie

Etablierung von OI als echte Form des Biocomputings unter Verwendung von Gehirnorganoiden auf ethische Weise.

Erkennen Sie die Revolution im Biocomputing, überwinden Sie die Einschränkungen von Silizium-basiertem Computing und KI-Computing, erreichen Sie schnellere Entscheidungsfindung, kontinuierliches Lernen und verbessern Sie die Effizienz bei der Ausführung dieser Aufgaben.

Erläutern Sie die menschliche Weisheit klarer und geben Sie Hoffnung für die Behandlung kognitiver Defekte und anderer damit verbundener Krankheiten.

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