Создаются биокомпьютеры на основе живых нейронов

Компьютер из живых человеческих нейронов звучит как сюжет фантастического романа, но такие системы уже появляются в лабораториях. Речь идет о биокомпьютерах, которые используют биологические материалы — ДНК, белки или выращенную в пробирке нервную ткань — для выполнения вычислительных задач.

Для этого ученые выращивают нейроны, формируют из них небольшие трехмерные структуры, называемые органоидами, а затем подключают эти нейронные «микромозги» к электродам и внешней электронике. Такие установки работают заметно экономичнее, чем классические компьютеры, хотя пока способны только на самые простые операции.

В 2022 году австралийская компания Cortical Labs прославилась тем, что научила культивированные нейроны играть в классическую игру Pong. Другой пример — биокомпьютерная система Brainoware, в которой живые нейроны связаны с обычным компьютером и способны решать простые задачи по распознаванию речи.

Совсем недавно, в августе, команда Университета Бристоля сообщила, что ей удалось использовать органоиды человеческого мозга для того, чтобы распознавать буквы шрифта Брайля. Сейчас основной фокус нескольких академических и коммерческих лабораторий — научиться стабильно выращивать такие нейронные структуры и превращать их в функциональные элементы, сопоставимые с биологическими транзисторами.

Исследователи стремятся приблизиться к эффективности живого мозга, который, по оценкам, потребляет менее 20 ватт при вычислительной мощности на уровне примерно миллиарда операций в секунду. Для сравнения, самые мощные суперкомпьютеры могут соперничать с мозгом по скорости, но при этом требуют примерно в миллион раз больше энергии.

Как напоминает аспирант Университета Мельбурна Брам Сервейс в своей статье для The Conversation, фундамент для биокомпьютинга начали закладывать почти полвека назад. Нейробиологи выращивали нейроны на миниатюрных матрицах с электродами и изучали их электрическую активность.

К началу 2000-х удалось наладить простую двустороннюю связь между нейронами и электроникой, что породило идею био-гибридных вычислительных систем. Однако настоящий рывок произошел в 2013 году с появлением мозговых органоидов — трехмерных структур, похожих на миниатюрный мозг, выращенных из стволовых клеток. Сейчас органоиды широко используются вместе с технологиями «орган на чипе» для тестирования лекарств и изучения развития нервной системы.

Широкую известность направление получило именно после работы Cortical Labs с обучением нейронов игре Pong. Обсуждение вызвал не столько сам эксперимент, сколько использование авторами спорного термина «воплощенный разум», что усилило споры о границах сознания в таких системах.

Позже появилось выражение «органоидный интеллект», которое звучит эффектно, но может вводить в заблуждение, создавая иллюзию сопоставимости с продвинутым ИИ, хотя по факту функциональные возможности таких органоидов пока крайне ограничены. При этом нормативная база не поспевает за технологиями — существующие правила рассматривают органоиды лишь как биомедицинский инструмент, а не как потенциальные «получающие опыт» системы.

На этом фоне усилились призывы к пересмотру этических стандартов для работы с живыми нейронными культурами, особенно по мере их коммерциализации. Эксперты, тем не менее, подчеркивают, что на нынешнем этапе органоиды не обладают сознанием и, по общему мнению, не находятся к нему близко, хотя их поведение уже демонстрирует сложные сетевые паттерны даже без интенсивной внешней стимуляции.

Параллельно в разных странах — США, Швейцарии, Китае, Австралии и других — формируется целая экосистема компаний и исследовательских центров, создающих био-гибридные вычислительные платформы. Например, швейцарская компания FinalSpark предлагает удаленный доступ к органоидам, а Cortical Labs уже выводит на рынок настольный биокомпьютер CL1, ориентируясь не только на фармацевтические компании, но и на команды, занимающиеся искусственным интеллектом.

Университет Калифорнии в Сан-Диего, согласно опубликованным планам, рассчитывает к 2028 году использовать органоидные системы для моделирования и прогнозирования масштабных экологических катастроф, в частности разлива нефти в Амазонии. В целом ближайшие цели отрасли — сделать прототипы более воспроизводимыми, стабильными и масштабируемыми.

При этом значительная часть проектов рассматривает органоиды как альтернативу животным моделям в нейронауке и токсикологии. Уже предложена практическая методика оценки того, как химические вещества влияют на раннее развитие мозга, а гибридные системы из нейронов и электроники показывают перспективные результаты в прогнозировании активности, связанной с эпилепсией. Все это подчеркивает, что биокомпьютеры могут стать не только новым классом вычислительной техники, но и важным инструментом для медицины и фундаментальных исследований.

Источник

• Ключевые слова: нейронов,