“الذكاء العضوي” – حواسيب حيوية ثورية مدعومة بخلايا الدماغ البشري

يتعاون العلماء عبر التخصصات لتطوير حواسيب حيوية تستخدم ثقافات ثلاثية الأبعاد لخلايا الدماغ تسمى عضيات الدماغ كأجهزة بيولوجية. لقد حددوا خطتهم لتحقيق هذا الهدف في مجلة Science الحدود في العلوم.

على الرغم من سجل الإنجازات المثير للإعجاب للذكاء الاصطناعي ، فإن قوته الحسابية تتضاءل مقارنة بالدماغ البشري. الآن ، كشف العلماء عن مسار ثوري للمضي قدمًا في الحوسبة: الذكاء العضوي ، حيث تعمل عضويات الدماغ المزروعة في المختبر كأجهزة بيولوجية.

لطالما كان الذكاء الاصطناعي مستوحى من الدماغ البشري. لقد أثبت هذا النهج نجاحًا كبيرًا: لقد حقق الذكاء الاصطناعي مآثر رائعة ، من تشخيص الحالات الطبية إلى تأليف الشعر. ومع ذلك ، فإن النموذج الأصلي يتفوق على الآلات من نواح كثيرة. لهذا السبب ، على سبيل المثال ، يمكننا “إثبات إنسانيتنا” من خلال اختبارات الصور التافهة عبر الإنترنت. بدلاً من محاولة جعل الذكاء الاصطناعي يشبه الدماغ ، ماذا لو ذهبنا مباشرة إلى المصدر؟

يعمل العلماء في العديد من التخصصات على تطوير حواسيب حيوية ثورية تعمل فيها الثقافات ثلاثية الأبعاد لخلايا الدماغ ، والتي تسمى عضويات الدماغ ، كأجهزة بيولوجية. في المجلة ، يصفون خريطة الطريق الخاصة بهم لتحقيق هذه الرؤية الحدود في العلوم.

صورة مكبرة لعضو عضوي في المخ تمت زراعته في المختبر مع وضع العلامات الفلورية لأنواع مختلفة من الخلايا. (الوردي – الخلايا العصبية ؛ الأحمر – الخلايا الدبقية قليلة التغصن ؛ الأخضر – الخلايا النجمية ؛ الأزرق – جميع نوى الخلية). الائتمان: توماس هارتونج ، جامعة جونز هوبكنز

قال البروفيسور توماس هارتونج من جامعة جونز هوبكنز: “نطلق على هذا المجال متعدد التخصصات الجديد اسم الذكاء العضوي (OI). لقد اجتمع مجتمع من العلماء البارزين لتطوير هذه التكنولوجيا ، التي نعتقد أنها ستدخل حقبة جديدة من السرعة. ، حوسبة حيوية قوية وفعالة “.

ما هي عضيات الدماغ ولماذا تصنع أجهزة كمبيوتر جيدة؟

عضيات الدماغ هي نوع من زراعة الخلايا في المختبر. على الرغم من أن عضيات الدماغ ليست “أدمغة صغيرة” ، إلا أنها تشترك في السمات الرئيسية لوظيفة الدماغ وبنيته ، مثل الخلايا العصبية وخلايا الدماغ الأخرى الضرورية للوظائف الإدراكية مثل التعلم والذاكرة. أيضًا ، في حين أن معظم مزارع الخلايا مسطحة ، فإن العضيات لها بنية ثلاثية الأبعاد. يؤدي هذا إلى زيادة كثافة الخلايا في المستنبت بمقدار 1000 ضعف ، مما يعني أن الخلايا العصبية يمكن أن تشكل العديد من الوصلات.

ولكن في حين أن عضيات الدماغ هي نسخ طبق الأصل جيدة للدماغ ، فلماذا تصنع أجهزة كمبيوتر جيدة؟ بعد كل شيء ، أليست أجهزة الكمبيوتر أكثر ذكاءً وأسرع من العقول؟

الذكاء العضوي: حدود جديدة في Infographic الحوسبة الحيوية. الائتمان: فرونتيرز / جامعة جونز هوبكنز

وأوضح هارتونغ: “في حين أن أجهزة الكمبيوتر القائمة على السيليكون أفضل بالتأكيد مع الأرقام ، فإن العقول أفضل في التعلم”. “على سبيل المثال ، AlphaGo [the AI that beat the world’s number one Go player in 2017] تدرب على بيانات من 160.000 لعبة. كان على الشخص أن يلعب خمس ساعات يوميًا لأكثر من 175 عامًا للاستمتاع بهذه الألعاب العديدة.

العقول ليست فقط متعلمين رائعين ، بل هي أيضًا ذات كفاءة عالية في استخدام الطاقة. على سبيل المثال ، مقدار الطاقة المستهلكة في تدريب AlphaGo هو أكثر مما يتطلبه الأمر للحفاظ على شخص بالغ نشط لمدة عقد من الزمن.

وأضاف هارتونج: “تتمتع الأدمغة بقدرة مذهلة على تخزين ما يقدر بـ 2500 تيرابايت من المعلومات”. “لقد وصلنا إلى الحدود المادية لأجهزة الكمبيوتر المصنوعة من السيليكون لأننا لا نستطيع حشر المزيد من الترانزستورات في شريحة صغيرة. لكن الدماغ موصّل بطريقة مختلفة تمامًا. إنه حوالي 100 مليار خلية عصبية متصلة بواسطة 1015 نقطة اتصال. وهذا فرق طاقة ضخم مقارنة بـ تقنيتنا الحالية.

الذكاء العضوي: حدود جديدة في Infographic الحوسبة الحيوية. الائتمان: فرونتيرز / جامعة جونز هوبكنز

كيف تبدو الحاسبات الحيوية الذكية العضوية؟

وفقًا لهارتونج ، يجب قياس عضيات الدماغ الحالية من أجل OI. وأوضح: “إنها صغيرة جدًا ، تحتوي كل منها على حوالي 50000 خلية. وبالنسبة لمنظمة OI ، يجب زيادة هذا العدد إلى 10 ملايين”.

في موازاة ذلك ، يعمل المؤلفون أيضًا على تطوير تقنيات للتواصل مع العضيات: بمعنى آخر ، أرسل لهم المعلومات واقرأ ما يفكرون فيه. يخطط المؤلفون لتكييف أدوات من مختلف المجالات العلمية ، مثل الهندسة الحيوية[{” attribute=””>machine learning, as well as engineer new stimulation and recording devices.

Organoid intelligence requires diverse technologies to communicate with brain organoids infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

“We developed a brain-computer interface device that is a kind of an EEG cap for organoids, which we presented in an article published last August. It is a flexible shell that is densely covered with tiny electrodes that can both pick up signals from the organoid, and transmit signals to it,” said Hartung.

The authors envision that eventually, OI would integrate a wide range of stimulation and recording tools. These will orchestrate interactions across networks of interconnected organoids that implement more complex computations.

Organoid intelligence could help prevent and treat neurological conditions

OI’s promise goes beyond computing and into medicine. Thanks to a groundbreaking technique developed by Noble Laureates John Gurdon and Shinya Yamanaka, brain organoids can be produced from adult tissues. This means that scientists can develop personalized brain organoids from skin samples of patients suffering from neural disorders, such as Alzheimer’s disease. They can then run multiple tests to investigate how genetic factors, medicines, and toxins influence these conditions.

Organoid intelligence will advance medical research and innovation infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

“With OI, we could study the cognitive aspects of neurological conditions as well,” Hartung said. “For example, we could compare memory formation in organoids derived from healthy people and from Alzheimer’s patients, and try to repair relative deficits. We could also use OI to test whether certain substances, such as pesticides, cause memory or learning problems.”

Taking ethical considerations into account

Creating human brain organoids that can learn, remember, and interact with their environment raises complex ethical questions. For example, could they develop consciousness, even in a rudimentary form? Could they experience pain or suffering? And what rights would people have concerning brain organoids made from their cells?

‘Embedded ethics’ will ensure responsible development of organoid intelligence infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

The authors are acutely aware of these issues. “A key part of our vision is to develop OI in an ethical and socially responsible manner,” Hartung said. “For this reason, we have partnered with ethicists from the very beginning to establish an ‘embedded ethics’ approach. All ethical issues will be continuously assessed by teams made up of scientists, ethicists, and the public, as the research evolves.”

How far are we from the first organoid intelligence?

Even though OI is still in its infancy, a recently-published study by one of the article’s co-authors – Dr. Brett Kagan of the Cortical Labs – provides proof of concept. His team showed that a normal, flat brain cell culture can learn to play the video game Pong.

“Their team is already testing this with brain organoids,” Hartung added. “And I would say that replicating this experiment with organoids already fulfills the basic definition of OI. From here on, it’s just a matter of building the community, the tools, and the technologies to realize OI’s full potential,” he concluded.

Reference: “Organoid intelligence (OI): the new frontier in biocomputing and intelligence-in-a-dish” by Lena Smirnova, Brian S. Caffo, David H. Gracias, Qi Huang, Itzy E. Morales Pantoja, Bohao Tang, Donald J. Zack, Cynthia A. Berlinicke, J. Lomax Boyd, Timothy D. Harris, Erik C. Johnson, Brett J. Kagan, Jeffrey Kahn, Alysson R. Muotri, Barton L. Paulhamus, Jens C. Schwamborn, Jesse Plotkin, Alexander S. Szalay, Joshua T. Vogelstein, Paul F. Worley and Thomas Hartung, 27 February 2023, Frontiers in Science.
DOI: 10.3389/fsci.2023.1017235