“الذكاء العضوي” – حواسيب حيوية ثورية تعمل بخلايا دماغ الإنسان

يتعاون العلماء عبر مجالات متعددة لإنشاء حواسيب حيوية تستخدم ثقافات ثلاثية الأبعاد لخلايا الدماغ ، تسمى عضويات الدماغ ، كأجهزة بيولوجية. لقد وضعوا خطتهم لتحقيق هذا الهدف في المجلة العلمية الحدود في العلوم.

على الرغم من السجل المثير للإعجاب لمنظمة العفو الدولية ، فإن قوتها الحسابية تتضاءل مقارنة بالدماغ البشري. الآن ، يكشف العلماء عن مسار ثوري لدفع الحوسبة إلى الأمام: 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: يتمتع الذكاء الاصطناعي بإنجازات رائعة – من تشخيص الحالات الطبية إلى تأليف الشعر. ومع ذلك ، يستمر النموذج الأصلي في التفوق على الآلات من نواحٍ عديدة. لهذا السبب ، على سبيل المثال ، يمكننا “إثبات إنسانيتنا” من خلال اختبارات الصور التافهة عبر الإنترنت. ماذا لو ذهبنا مباشرة إلى المصدر بدلاً من محاولة جعل الذكاء الاصطناعي أشبه بالدماغ؟

يعمل العلماء عبر تخصصات متعددة على إنشاء حواسيب حيوية ثورية حيث تعمل الثقافات ثلاثية الأبعاد لخلايا الدماغ ، والتي تسمى عضويات الدماغ ، كأجهزة بيولوجية. يصفون خارطة الطريق الخاصة بهم لتحقيق هذه الرؤية في المجلة 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 الجديد متعدد التخصصات” الذكاء العضوي “(OI). “اجتمع مجتمع من كبار العلماء لتطوير هذه التكنولوجيا ، والتي نعتقد أنها ستطلق حقبة جديدة من الحوسبة الحيوية السريعة والقوية والفعالة.”

ما هي عضيات الدماغ ، ولماذا يصنعون 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 الجوانب الرئيسية لوظيفة الدماغ وبنيته مثل الخلايا العصبية وخلايا الدماغ الأخرى الضرورية للوظائف المعرفية مثل التعلم والذاكرة. أيضًا ، في حين أن معظم مزارع الخلايا مسطحة ، فإن العضيات لها بنية ثلاثية الأبعاد. يؤدي هذا إلى زيادة كثافة خلايا المزرعة بمقدار 1000 ضعف ، مما يعني أن الخلايا العصبية يمكن أن تشكل عددًا أكبر من الروابط.

ولكن حتى لو كانت عضيات الدماغ تقليدًا جيدًا للأدمغة ، فلماذا يصنعون أجهزة كمبيوتر جيدة؟ بعد كل شيء ، أليست أجهزة الكمبيوتر أكثر ذكاءً وأسرع من العقول؟

الذكاء العضوي: الحدود الجديدة في الرسم البياني للحوسبة الحيوية. الائتمان: فرونتيرز / جامعة جون 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] تم تدريبه على بيانات من 160.000 لعبة. سيتعين على أي شخص أن يلعب خمس ساعات يوميًا لأكثر من 175 عامًا لتجربة هذه الألعاب العديدة “.

العقول ليست فقط متعلمين متفوقين ، بل هي أيضًا أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. على سبيل المثال ، كمية الطاقة التي يتم إنفاقها في تدريب AlphaGo هي أكثر مما هو مطلوب للحفاظ على شخص بالغ نشط لمدة عقد من الزمن.

وأضاف هارتونج: “تتمتع الأدمغة أيضًا بقدرة مذهلة على تخزين المعلومات ، تقدر بنحو 2500 تيرابايت”. لقد وصلنا إلى الحدود المادية لأجهزة الكمبيوتر المصنوعة من السيليكون لأننا لا نستطيع حزم المزيد من الترانزستورات في شريحة صغيرة. لكن الدماغ موصّل بطريقة مختلفة تمامًا. لديها حوالي 100 مليار خلية عصبية مرتبطة عبر أكثر من 1015 نقطة اتصال. إنه فرق هائل في القوة مقارنة بتقنيتنا الحالية “.

الذكاء العضوي: الحدود الجديدة في الرسم البياني للحوسبة الحيوية. الائتمان: فرونتيرز / جامعة جون هوبكنز

كيف ستبدو أجهزة الكمبيوتر الحيوية ذات الذكاء العضوي؟

وفقًا لهارتونج ، تحتاج عضيات الدماغ الحالية إلى زيادة حجمها من أجل OI. إنها صغيرة جدًا ، تحتوي كل منها على حوالي 50000 خلية. بالنسبة لمنظمة OI ، سنحتاج إلى زيادة هذا العدد إلى 10 ملايين “.

في موازاة ذلك ، يعمل المؤلفون أيضًا على تطوير تقنيات للتواصل مع العضيات: بمعنى آخر ، إرسال المعلومات إليهم وقراءة ما يفكرون فيه. يخطط المؤلفون لتكييف أدوات من مختلف التخصصات العلمية ، مثل الهندسة الحيوية و[{” 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