Δεν υπάρχει κανένας υπολογιστής που να είναι έστω και κατά προσέγγιση τόσο ισχυρός και πολύπλοκος όσο ο ανθρώπινος εγκέφαλος. Τα κομμάτια ιστού που βρίσκονται στο κρανίο μας μπορούν να επεξεργαστούν πληροφορίες σε ποσότητες και ταχύτητες που η τεχνολογία των υπολογιστών δεν μπορεί να αγγίξει.
Το κλειδί για την επιτυχία του εγκεφάλου είναι η αποτελεσματικότητα του νευρώνα να λειτουργεί τόσο ως επεξεργαστής όσο και ως συσκευή μνήμης, σε αντίθεση με τις φυσικά διαχωρισμένες μονάδες στις περισσότερες σύγχρονες υπολογιστικές συσκευές.
Έχουν γίνει πολλές προσπάθειες να γίνει η πληροφορική πιο «εγκεφαλική», αλλά μια νέα προσπάθεια προχωράει ένα βήμα παραπέρα – ενσωματώνοντας πραγματικό, ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό σε ηλεκτρονικά είδη.
Τι είναι το Brainoware
Ονομάζεται «Brainoware» και λειτουργεί. Μια ομάδα με επικεφαλής τον μηχανικό Feng Guo από το Indiana University Bloomington, τροφοδότησε το «Brainoware» με εργασίες όπως η αναγνώριση ομιλίας και η πρόβλεψη μη γραμμικών εξισώσεων. Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Nature Electronics.
Ήταν ελαφρώς λιγότερο ακριβές από έναν υπολογιστή που εκτελεί τεχνητή νοημοσύνη, αλλά η έρευνα καταδεικνύει ένα σημαντικό πρώτο βήμα σε ένα νέο είδος αρχιτεκτονικής υπολογιστών.
Ωστόσο, ενώ ο Guo και οι συνάδελφοί του ακολούθησαν τις κατευθυντήριες γραμμές δεοντολογίας κατά την ανάπτυξη του Brainoware, αρκετοί ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins σημειώνουν την σημασία που έχει να έχουν κατά νου οι δεοντολογικοί προβληματισμοί κατά την περαιτέρω επέκταση αυτής της τεχνολογίας.
«Καθώς η πολυπλοκότητα αυτών των οργανοειδών συστημάτων αυξάνεται, είναι κρίσιμο για την κοινότητα να εξετάσει τα νευροηθικά ζητήματα που περιβάλλουν τα βιοϋπολογιστικά συστήματα που ενσωματώνουν ανθρώπινο νευρικό ιστό» προειδοποιούν οι Lena Smirnova, Brian Caffo και Erik C. Johnson, οι οποίοι δεν συμμετείχαν στη μελέτη
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι εκπληκτικός. Περιέχει περίπου 86 δισεκατομμύρια νευρώνες, κατά μέσο όρο, και έως και ένα τετράκις εκατομμύριο συνάψεις. Κάθε νευρώνας συνδέεται με έως και 10.000 άλλους νευρώνες, οι οποίοι επικοινωνούν συνεχώς μεταξύ τους.
Το 2013, ο υπολογιστής K του Riken – τότε ένας από τους ισχυρότερους υπερυπολογιστές στον κόσμο – έκανε μια προσπάθεια να μιμηθεί τον εγκέφαλο. Με 82.944 επεξεργαστές και ένα petabyte κύριας μνήμης, χρειάστηκαν 40 λεπτά για να μιμηθεί ένα δευτερόλεπτο δραστηριότητας 1,73 δισεκατομμυρίων νευρώνων που συνδέονται με 10,4 τρισεκατομμύρια συνάψεις – περίπου το 1-2% του εγκεφάλου.
Τα τελευταία χρόνια, επιστήμονες και μηχανικοί προσπαθούν να προσεγγίσουν τις δυνατότητες του εγκεφάλου σχεδιάζοντας υλικό και αλγόριθμους που μιμούνται τη δομή και τον τρόπο λειτουργίας του. Γνωστή ως νευρομορφική υπολογιστική, βελτιώνεται αλλά είναι ενεργοβόρα και η εκπαίδευση τεχνητών νευρωνικών δικτύων είναι χρονοβόρα.
Πώς λειτουργεί το Brainoware
Ο Guo και οι συνάδελφοί του αναζήτησαν μια διαφορετική προσέγγιση χρησιμοποιώντας πραγματικό ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο. Ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστικά κύτταρα αναπτύχθηκαν σε διαφορετικούς τύπους εγκεφαλικών κυττάρων, που οργανώθηκαν σε τρισδιάστατους μίνι-εγκεφάλους που ονομάζονται οργανοειδή, με συνδέσεις και δομές.
Αυτοί δεν είναι πραγματικοί εγκέφαλοι, αλλά απλώς διατάξεις ιστών χωρίς τίποτα να θυμίζει σκέψη, συναίσθημα ή συνείδηση. Είναι χρήσιμα για τη μελέτη του πώς αναπτύσσεται και λειτουργεί ο εγκέφαλος.
Το Brainoware αποτελείται από εγκεφαλικά οργανοειδή που συνδέονται με μια σειρά μικροηλεκτροδίων υψηλής πυκνότητας, χρησιμοποιώντας έναν τύπο τεχνητού νευρωνικού δικτύου, γνωστού ως reservoir computing. Η ηλεκτρική διέγερση μεταφέρει πληροφορίες στο οργανοειδές, τη δεξαμενή όπου οι πληροφορίες αυτές επεξεργάζονται πριν το Brainoware εκπέμψει τους υπολογισμούς του με τη μορφή νευρικής δραστηριότητας.
Για τα επίπεδα εισόδου και εξόδου χρησιμοποιείται κανονικό υλικό υπολογιστή. Αυτά τα στρώματα έπρεπε να εκπαιδευτούν για να λειτουργούν με το οργανοειδές, με το στρώμα εξόδου να διαβάζει τα νευρωνικά δεδομένα και να κάνει ταξινομήσεις ή προβλέψεις με βάση την είσοδο.
Για να επιδείξουν το σύστημα, οι ερευνητές έδωσαν στο Brainoware 240 κλιπ ήχου από οκτώ άνδρες ομιλητές που έκαναν ιαπωνικούς φωνητικούς ήχους και του ζήτησαν να αναγνωρίσει τη φωνή ενός συγκεκριμένου ατόμου.
Ξεκίνησαν με ένα αφελές οργανοειδές- έπειτα από εκπαίδευση για μόλις δύο ημέρες, το Brainoware ήταν σε θέση να αναγνωρίσει τον ομιλητή με ακρίβεια 78%.
Ζήτησαν επίσης από το Brainoware να προβλέψει έναν χάρτη Hénon, ένα δυναμικό σύστημα που παρουσιάζει χαοτική συμπεριφορά. Το άφησαν χωρίς επίβλεψη να μάθει για τέσσερις ημέρες -κάθε ημέρα αντιπροσωπεύει μια εποχή εκπαίδευσης- και διαπίστωσαν ότι ήταν σε θέση να προβλέψει τον χάρτη με καλύτερη ακρίβεια από ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο χωρίς μονάδα μακράς βραχυπρόθεσμης μνήμης.
Το Brainoware ήταν ελαφρώς λιγότερο ακριβές από τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα με μονάδα μακράς βραχυπρόθεσμης μνήμης – αλλά αυτά τα δίκτυα είχαν υποβληθεί σε 50 εποχές εκπαίδευσης. Το Brainoware πέτυχε σχεδόν τα ίδια αποτελέσματα σε λιγότερο από το 10 τοις εκατό του χρόνου εκπαίδευσης.
«Λόγω της υψηλής πλαστικότητας και προσαρμοστικότητας των οργανοειδών, το Brainoware έχει την ευελιξία να αλλάζει και να αναδιοργανώνεται σε απόκριση στην ηλεκτρική διέγερση, αναδεικνύοντας την ικανότητά του για προσαρμοστικό υπολογισμό δεξαμενών» τονίζουν οι ερευνητές.
Υπάρχουν ακόμη σημαντικοί περιορισμοί, όπως το ζήτημα της διατήρησης των οργανοειδών ζωντανών και υγιών, καθώς και τα επίπεδα κατανάλωσης ενέργειας του περιφερειακού εξοπλισμού. Όμως, λαμβάνοντας υπόψη τους ηθικούς προβληματισμούς, το Brainoware έχει επιπτώσεις όχι μόνο στην πληροφορική, αλλά και στην κατανόηση των μυστηρίων του ανθρώπινου εγκεφάλου.
«Μπορεί να χρειαστούν δεκαετίες μέχρι να δημιουργηθούν γενικά συστήματα βιοϋπολογιστών, αλλά αυτή η έρευνα είναι πιθανό να δημιουργήσει θεμελιώδεις γνώσεις σχετικά με τους μηχανισμούς μάθησης, τη νευρική ανάπτυξη και τις γνωστικές επιπτώσεις των νευροεκφυλιστικών ασθενειών» αναφέρουν οι Smirnova, Caffo και Johnson. «Θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην ανάπτυξη προκλινικών μοντέλων γνωστικής εξασθένησης για τη δοκιμή νέων θεραπευτικών ουσιών».