Onder leiding van Feng Guo van de Universiteit van Indiana Bloomington hebben wetenschapper een hybride biocomputer ontwikkeld die menselijk hersenweefsel combineert met conventionele elektronische circuits. Het betreffende weefsel, in de vorm van organoïden, wordt gekweekt in een laboratorium. Deze innovatieve technologie wordt beschreven in een recente publicatie van Nature Electronics en biedt onder meer mogelijkheden tot stemherkenning. Ook is het hybride computersysteem in staat om wiskundige berekeningen te doen. Deze nieuwe biocomputer zou niet alleen de deur kunnen openen naar geavanceerdere kunstmatige intelligentie-systemen, maar biedt ook mogelijkheden voor nieuw neurowetenschappelijk onderzoek.
Deze innovatie, die bekend staat als 'Brainoware', is weer een stap voorwaarts in de integratie van biologische en digitale technologieën. Het systeem gebruikt organoïden: clusters van menselijke cellen die in laboratoria kunstmatig zijn gekweekt om organen na te bootsen. Deze organoïden, zijn gemaakt van stamcellen die kunnen uitgroeien tot verschillende levende celtypen; in dit geval dus tot neuronen vergelijkbaar met die in onze hersenen.
Brug tussen AI en organoïden
Het doel van dit onderzoek, onder leiding van bio-ingenieur Feng Guo, is om een brug te slaan tussen kunstmatige intelligentie (AI) en organoïden. Veel AI-systemen maken gebruik van een netwerk van onderling verbonden knooppunten, bekend als een neuraal netwerk, op een manier die vergelijkbaar is met de werking van de hersenen. Onderzocht wordt of het biologische neurale netwerk binnen een organoïde, die op menselijke hersenen lijkt, gebruikt kan worden voor computerberekeningen. Interessant is dat zo'n nieuwe hybride computer uiteindelijk veel minder energie zal verbruiken als een regulier exemplaar. Ter vergelijking: onze hersenen gebruiken 20 watt voor een taak die voor kunstmatige intelligentie vooralsnog 8 miljoen watt kost.
Menselijk brein & technologie
Het ontwikkelen van een biocomputer roept associaties op met de plannen van Elon Musk met zijn bedrijf Neuralink, dat kortgeleden is gestart met het testen van hersenimplantaten op menselijke proefpersonen. Brainoware en Neuralink vertegenwoordigen beide inderdaad de fusie van menselijk brein en technologie, maar wel op een totaal andere wijze. Brainoware koppelt lab-gekweekt hersenweefsel aan elektronica, gericht op het verbeteren van AI en het begrijpen van hersenfuncties.
Neuralink daarentegen implementeert microchips direct in het menselijk brein, met als doel het verbeteren van menselijke cognitie en het behandelen van neurologische aandoeningen. Hoewel beide innovaties de grenzen van biotechnologie en AI verleggen, roepen ze verschillende ethische en praktische dilemma’s op omtrent de interactie tussen menselijke intelligentie en kunstmatige systemen.
Hybride computersysteem
Om Brainoware te maken, plaatsten onderzoekers een enkele organoïde op een plaat met duizenden elektroden, om het hersenweefsel te verbinden met elektrische circuits. Vervolgens werd de invoerinformatie omgezet in een patroon van elektrische pulsen en naar de organoïde gestuurd. De reactie van het weefsel werd opgevangen door een sensor en gedecodeerd met behulp van een algoritme.
De capaciteiten van Brainoware werden getest door het systeem te trainen met 240 opnames van 8 verschillende sprekers. De organoïde genereerde een verschillend patroon van neurale activiteit als reactie op elke stem. De AI leerde op deze manier om sprekers met een nauwkeurigheid van 78% te identificeren. Hoewel er nog meer onderzoek nodig is, bevestigt deze studie, volgens neurowetenschapper Lena Smirnova van de Johns Hopkins University in Baltimore, enkele sleutelideeën die uiteindelijk de ontwikkeling van een biologische computer mogelijk kunnen maken
Naast de mogelijkheden voor AI, kan deze technologie ook gebruikt worden om de hersenen te bestuderen. Er worden met deze aanpak bijvoorbeeld deuren geopend voor het modelleren en bestuderen van neurologische aandoeningen, zoals de ziekte van Alzheimer maar ook voor het testen van de effecten en toxiciteit van verschillende behandelingen.
Hersenweefsel integreren in chip
Een uitdaging bij het gebruik van levende cellen in een computersysteem is dat de organoïden in leven moeten worden gehouden. Deze cellen moeten worden gekweekt en onderhouden in incubators, wat moeilijker wordt naarmate de organoïden groter worden. Om verder te bouwen op de capaciteiten van Brainoware, worden nieuwe stappen gezet die onder meer zullen bestaan uit het onderzoeken of en hoe hersenorganoïden aangepast kunnen worden om complexere taken uit te voeren, en ze stabieler en betrouwbaarder te maken dan nu het geval is. Dit is bijvoorbeeld essentieel op het moment dat ze daadwerkelijk geïntegreerd gaan worden in silicium microchips die momenteel worden gebruikt in AI-computing.
