Biologiniai kompiuteriai iš gyvų neuronų: kuo jie skirsis nuo šiandienos procesorių ir kam to gali prireikti

Apie ateities skaičiavimus dažniausiai kalbame turėdami omenyje vis galingesnius lustus, kvantinius procesorius ar pažangius grafinius modulius. Tačiau tyliai bręsta ir visiškai kitokia kryptis: kompiuteriai, kurie informaciją apdoroja ne tranzistoriais, o gyvomis nervų ląstelėmis.

Tokie vadinamieji biologiniai kompiuteriai, paremti neuronų tinklais laboratorijos lėkštelėje, kol kas yra eksperimentiniai, bet jau dabar leidžia pamatuoti, kaip gyva biologinė sistema gali atlikti skaičiavimus. Tai kelia ne tik techninių, bet ir etinių klausimų: ar tokios sistemos ateityje taps alternatyva klasikiniams kompiuteriams, ar liks nišine mokslo sritimi.

Kas yra biologinis kompiuteris ir kuo jis skiriasi nuo įprasto

Tradicinis kompiuteris informaciją apdoroja naudodamas tranzistorius, kurie įjungia ir išjungia elektros srautą, taip kurdami dvejetainį kodą. Biologiniame kompiuteryje tą pačią funkciją atlieka neuronai, kurie siunčia elektrinius impulsus vieni kitiems, formuodami sudėtingus aktyvumo raštus.

Laboratorijose kuriamos mažos neuronų „kolonijos“, auginamos ant mikroschemų, kuriose įrengti jutikliai ir elektrodai. Per juos galima tiek nuskaityti neuronų signalus, tiek pateikti stimulą, atitinkantį užduotį ar „duomenis“, kuriuos sistema turi išmokti apdoroti.

Kaip veikia neuronų lustai laboratorijoje

Tyrimams dažnai naudojamos žinduolių, pavyzdžiui, pelių, arba žmogaus kamieninių ląstelių pagrindu išaugintos nervų ląstelės. Jos suformuoja tinklą, kuris savaime pradeda generuoti elektrinius impulsus ir užmegzti ryšius tarp neuronų.

Mikroelektrodų matrica po ląstelėmis fiksuoja, kurie neuronai ir kada suaktyvėja, o kompiuterinė sistema šiuos duomenis paverčia suprantamais žemėlapiais. Pateikus pakartotinius dirgiklius, pavyzdžiui, tam tikrą elektrinių impulsų seką, neuronų tinklas laikui bėgant prisitaiko, jo reakcijos tampa nuoseklesnės. Tai laikoma mokymosi užuomazgomis.

Pirmosios praktinės demonstracijos: nuo žaidimų iki modelių

Pastaraisiais metais paviešinti keli eksperimentai, kuriuose neuronų tinklai buvo prijungti prie paprastų užduočių, pavyzdžiui, dvimačių žaidimų valdymo ar paprastų signalų klasifikavimo. Čia svarbus ne pats žaidimas, o tai, kad biologinė sistema geba adaptuotis ir pagerinti savo veikimą atsižvelgdama į grįžtamąjį ryšį.

Kitas tyrimų laukas yra ligų ir vaistų poveikio modeliavimas. Jei neuronų tinklas suformuotas taip, kad primintų konkrečią smegenų sritį, galima stebėti, kaip jį paveikia cheminės medžiagos ar skirtingi stimulusų tipai. Tai suteikia daugiau informacijos nei paprasti ląstelių kultūrų bandymai, bet išvengiama sudėtingų bandymų su gyvais gyvūnais.

Kam gali būti naudingi biologiniai kompiuteriai

Viena iš dažniausiai minimų sričių yra itin sudėtingų, neapibrėžtų problemų sprendimas, kur svarbūs gebėjimai prisitaikyti ir apibendrinti informaciją. Teoriškai neuronų tinklai iš gyvų ląstelių galėtų pasiūlyti kitokią skaičiavimo logiką nei dabartiniai algoritmai, ypač ten, kur reikia nuolat keisti strategiją ar išmokti iš labai mažo pavyzdžių skaičiaus.

Kita kryptis yra itin efektyvus energijos naudojimas. Biologinės smegenys sunaudoja labai mažai energijos, palyginti su šiuolaikiniais duomenų centrais, nors geba atlikti milžinišką skaičiavimų kiekį. Jei bent dalį šių principų pavyktų perkelti į hibridines sistemas, kur dalį darbo atlieka neuronų tinklas, dalį klasikinis kompiuteris, būtų galima ieškoti naujų energiją taupančių sprendinių.

Techniniai ribotumai: nuo trapumo iki mastelio

Nors potencialas skamba įdomiai, realus technologijos lygis kol kas labai ankstyvas. Neuronų kultūros yra trapios, jautrios temperatūros, maistinių medžiagų ir kitų sąlygų pokyčiams. Tokios sistemos reikalauja nuolatinės priežiūros, kuri sunkiai suderinama su pramoniniu mastu.

Kitas esminis iššūkis yra mastelio didinimas. Dabartiniuose tyrimuose naudojami palyginti maži neuronų tinklai, o jų elgesys dar labai toli nuo žmogaus smegenų sudėtingumo. Kad biologinis kompiuteris atliktų praktiškai svarbias užduotis, reikėtų ne tik didesnių tinklų, bet ir patikimų būdų juos valdyti, stebėti ir pakartotinai naudoti.

Etiniai klausimai ir visuomenės nuostatos

Kai skaičiavimams pradedami naudoti gyvi neuronai, neišvengiamai kyla klausimų apie sąmonę, pojūčius ir atsakomybę. Dabartiniai tinklai yra pernelyg paprasti, kad būtų pagrįsta kalbėti apie savimonę, tačiau visuomenėje gali kilti emocinės reakcijos vien dėl idėjos, kad kompiuteris dalinai sudarytas iš gyvų nervų ląstelių.

Tam reikės aiškių etinių gairių: iš kur gaunamos ląstelės, kaip užtikrinama, kad sistema neperžengtų moralinių ribų, kokios naudojimo sritys priimtinos, o kur būtini papildomi ribojimai. Diskusijos apie biotechnologijų ir skaičiavimo susiliejimą turbūt tik stiprės, todėl svarbu, kad jos vyktų ne tik tarp tyrėjų, bet ir platesnėje visuomenėje.

Kaip ši kryptis gali paveikti dirbtinio intelekto ateitį

Biologiniai kompiuteriai dažnai minimi šalia neuromorfinių lustų ir kitų bandymų imituoti smegenų veikimą silicio pagrindu. Net jei gyvų neuronų pagrindu veikiančios sistemos liks laboratorijose, jų tyrimai gali padėti geriau suprasti, kokie principai lemia efektyvų mokymąsi ir prisitaikymą, ir šias įžvalgas vėliau perkelti į programinę įrangą ar įprastus lustus.

DI sistemų kūrėjams tokie tyrimai yra dar viena priemonė tikrinti hipotezes apie tai, kaip informaciją apdoroja biologinės smegenys. Tačiau jie nereiškia, kad netrukus naudosime „gyvus kompiuterius“ buityje ar versle. Bent artimiausiais metais didžioji skaičiavimų dalis ir toliau vyks klasikiniuose procesoriuose, o biologiniai eksperimentai atliks pagalbinį vaidmenį.

Ką verta žinoti šiandien

Kol technologija dar tik formuojasi, paprastam vartotojui svarbiausia suprasti, kad kalbama ne apie fantastikoje aprašytus mąstančius organizmus, o apie kontroliuojamas laboratorines sistemas, skirtas konkrečioms užduotims ir moksliniams klausimams. Tai viena iš daugelio krypčių, kuriomis bandoma ieškoti naujų skaičiavimo metodų.

Verslui ir politikos formuotojams šios tendencijos signalizuoja, kad riba tarp informacinių technologijų ir biotechnologijų toliau blės. Tai reiškia, kad ateityje reikės suderintų reguliavimo priemonių, krypčių švietimui ir atsakingo požiūrio į tai, kaip tokios technologijos vystomos ir pristatomos visuomenei.