Ερευνητές σε ολόκληρο τον κόσμο φιλοδοξούν να συνδυάσουν έναν εγκέφαλο και έναν υπολογιστή και να μας δώσουν στο χέρι τη δύναμη ενός ανθρώπινου μυαλού! Η ιδέα ονομάζεται οργανοειδής νοημοσύνη (organoid intelligence, OI) και όσοι μιλούν για αυτήν έχουν και ένα σχέδιο για να την πραγματοποιήσουν, όπως οι Σουηδοί ερευνητές της startup FinalSpark, οι οποίοι παρουσίασαν πρόσφατα τον πρώτο παγκοσμίως «ζωντανό υπολογιστή» που κατασκεύασαν από ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό!
Η «οργανοειδής νοημοσύνη» (OI) περιγράφει ένα αναδυόμενο πολυεπιστημονικό πεδίο που εστιάζει στην ανάπτυξη βιολογικών υπολογιστών (βιοϋπολογιστών) χρησιμοποιώντας τρισδιάστατες καλλιέργειες ανθρώπινων εγκεφαλικών κυττάρων (οργανοειδή εγκεφάλου) και τεχνολογίες διεπαφής εγκεφάλου-μηχανής.
«Στον πυρήνα της, η οργανοειδής νοημοσύνη αντιπροσωπεύει μια διεπιστημονική προσπάθεια αξιοποίησης της βιολογικής δύναμης των ανθρώπινων εγκεφαλικών κυττάρων με υπευθυνότητα. Με την ενσωμάτωση της βιομηχανικής, της νευροεπιστήμης και της τεχνητής νοημοσύνης, πιέζουμε τα όρια του βιοϋπολογισμού και ανοίγουμε νέα σύνορα στην ιατρική έρευνα και στην καινοτομία», σχολιάζει o Φίλιππος Τουρλομούσης Επικεφαλής Επιστήμονας στο Autonomous Science Lab στο ΕΚΕΦΕ «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ» και ιδρυτής της εταιρείας βιοκατασκευής Biological Lattice Industries Corp.
Οι ερευνητές ελπίζουν να αναπτύξουν χρησιμοποιώντας δείγματα ανθρώπινου ιστού, μικρές συλλογές εγκεφαλικών κυττάρων που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τα τυπικά τσιπ πυριτίου των υπολογιστών πυριτίου. Παρόλο που τα οργανοειδή του εγκεφάλου δεν είναι «μίνι εγκέφαλοι», μπορούν να μιμηθούν βασικές πτυχές της λειτουργίας και της δομής του οργάνου που είναι απαραίτητες για γνωστικές λειτουργίες όπως η μάθηση και η μνήμη. Επίσης, ενώ οι περισσότερες κυτταροκαλλιέργειες είναι επίπεδες, τα οργανοειδή έχουν τρισδιάστατη δομή που αυξάνει την κυτταρική πυκνότητα της καλλιέργειας κατά 1.000 φορές. Αυτό σημαίνει ότι οι νευρώνες μπορούν να σχηματίσουν πολλές περισσότερες συνδέσεις.
Οι ερευνητές στο πεδίο αναπτύσσουν ταυτόχρονα και τεχνολογίες για να επικοινωνούν με τα οργανοειδή, δηλαδή, για να τους στέλνουν πληροφορίες και να διαβάζουν τι «σκέφτονται». Ένας από τους πρωτοπόρους στο πεδίο, ο Thomas Hartung, καθηγητής περιβαλλοντικής υγείας και μηχανικής στο Johns Hopkins στη Βαλτιμόρη και οι συνάδελφοί του έχουν ήδη αναπτύξει μια συσκευή διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή που είναι ένα είδος ηλεκτροδίου για ηλεκτροεγκεφαλογράφημα το πιο μικρό στον κόσμο, που μετράει τη δραστηριότητα σε ένα μοντέλο εγκεφάλου μεγέθους μιας κουκκίδας από στυλό. «Πρόκειται για ένα εύκαμπτο κέλυφος από πυκνά μικροσκοπικά ηλεκτρόδια που μπορούν να λάβουν σήματα από το οργανοειδές αλλά και να του μεταδώσουν», λέει.
Ο «ζωντανός» υπολογιστής των Σουηδών
Ο «ζωντανός» υπολογιστής που ανέπτυξαν οι Σουηδών αποτελείται από 16 οργανοειδή ή συστάδες εγκεφαλικών κυττάρων που αναπτύχθηκαν σε εργαστήριο, τα οποία λειτουργούν όπως ένα παραδοσιακό τσιπ υπολογιστή στέλνοντας και λαμβάνοντας σήματα μέσω των νευρώνων τους όπως τα κυκλώματα και έχει διάρκεια ζωής 100 ημερών. Αυτή η πρωτοποριακή τεχνολογία υπόσχεται να μειώσει δραματικά την κατανάλωση ενέργειας των υπολογιστών, επιτυγχάνοντας ταχύτητες συγκρίσιμες με τους κορυφαίους υπερ-υπολογιστές στον κόσμο.
Σύμφωνα με δελτίο τύπου της εταιρείας, τα οργανοειδή εκπαιδεύονται με δόσεις ντοπαμίνης ως ανταμοιβή, όταν εκτελούν σωστά τις εργασίες, παρόμοια με το πώς απελευθερώνεται η ουσία στον ανθρώπινο εγκέφαλο όταν ενεργοποιείται μια συγκεκριμένη περιοχή. Οι μίνι εγκέφαλοι περιβάλλονται από οκτώ ηλεκτρόδια που μετρούν τη δραστηριότητά τους και οι ερευνητές μπορούν να στείλουν ρεύμα μέσω του ηλεκτροδίου για να επηρεάσουν τον νευρώνα. Αυτά τα ηλεκτρόδια εκτελούν τον διπλό ρόλο της διέγερσης των οργανοειδών και της καταγραφής των δεδομένων που επεξεργάζονται.
«Εμείς το αποκαλούμε «wetware», γιατί ο βιοϋπολογιστής στέκεται μεταξύ λογισμικού και υλικού», λέει ο Δρ Fred Jordan που είναι ο CEO της FinalSpark. Ο ίδιος, μαζί με τον συνάδελφό του Dr Martin Kutter δημιούργησαν το 2014 την εταιρεία, η οποία είναι μια από τις πρώτες εταιρείες βιοϋπολογιστών στον κόσμο και μία από τις τρεις που δραστηριοποιούνται σε αυτόν τον τομέα. Οι άλλες δυο είναι η Cortical Labs στην Αυστραλία και η Koniku στις ΗΠΑ.
Ο ίδιος αν και αντιλαμβάνεται την «επανάσταση» που επίκειται, δεν φαίνεται να είναι προετοιμασμένος. «Νομίζω πως ποτέ κανείς δεν προετοιμάζεται για τέτοιες ‘επαναστάσεις’», δηλώνει στο Dnews και παραδέχεται πως δεν έχει γίνει αρκετή έρευνα μέχρι στιγμής σε αυτόν τον τομέα: «Για αυτό και δεν μπορώ να κάνω καμία πρόβλεψη. Σίγουρα όμως ανοίγει δρόμο προς πολλές κατευθύνσεις».
Ο Δρ Jordan μού λέει πως αργότερα αυτό το μήνα θα συμμετάσχει στο πρώτο συνέδριο ‘βιοϋπολογιστών’ στον κόσμο που θα πραγματοποιηθεί στη Βιέννη στις 24 Ιουνίου, μαζί με επιστήμονες από την Αυστραλία και τις ΗΠΑ που δραστηριοποιούνται ερευνητικά στο ίδιο πεδίο.
Η ομάδα κυκλοφόρησε τον βιοϋπολογιστή της ως μια διαδικτυακή πλατφόρμα που επιτρέπει σε ερευνητές από όλο τον κόσμο να διεξάγουν πειράματα εξ αποστάσεως σε βιολογικούς νευρώνες in vitro.
Υπολογιστές με πραγματικό.. μυαλό
Ο δρόμος που άνοιξαν το 2012 οι Νομπελίστες και πρωτοπόροι των βλαστοκυττάρων John B. Gurdon και Shinya Yamanaka με την ανάπτυξη μιας τεχνικής που επέτρεπε τη δημιουργία κυττάρων από πλήρως ανεπτυγμένους ιστούς όπως το δέρμα, οδήγησε στη χρήση των οργανοειδών εγκεφάλου για τη μοντελοποίηση και τη μελέτη νευροεκφυλιστικών ασθενειών.
Ο καθηγητής Thomas Hartung και οι συνάδελφοί του οραματίστηκαν πρώτοι τον συνδυασμό της δύναμης των οργανοειδών του εγκεφάλου σε έναν τύπο βιολογικού υλικού ενεργειακά πιο αποδοτικού από τους υπερ-υπολογιστές και δημοσίευσαν το σχέδιό τους τον Φεβρουάριο του 2023 στο περιοδικό Frontiers in Science.. Μέσα σε αυτό πρότειναν βιοϋπολογιστές που θα χρησιμοποιούσαν οργανοειδή εγκεφάλου για να επιφέρουν δυνητικά μια ‘επανάσταση’ στις φαρμακευτικές δοκιμές για ασθένειες όπως το Αλτσχάιμερ, για να μελετήσουν τον ανθρώπινο εγκέφαλο και γενικά για να αλλάξουν το μέλλον της πληροφορικής.
«Οι υπολογιστές και η τεχνητή νοημοσύνη οδήγησαν την τεχνολογική επανάσταση, αλλά πιάνουν ‘ταβάνι’», είχε πει ο Hartung, ανώτερος συγγραφέας της μελέτης, σε μια δήλωση. «Ο βιοϋπολογισμός είναι μια τεράστια προσπάθεια συμπίεσης της υπολογιστικής ισχύος και αύξησης της απόδοσής της για να ξεπεράσουμε τα τρέχοντα τεχνολογικά όρια».
Νωρίτερα, τον Οκτώβριο του 2022 μια ερευνητική ομάδα από τη Μελβούρνη σε δημοσίευσή της στο περιοδικό Neuron με επικεφαλής τον Brett Kagan είχε περιγράψει την εκπαίδευση 800.000 εγκεφαλικών κυττάρων για να παίξουν το παιχνίδι Pong στον υπολογιστή.
«Οραματιζόμαστε πολύπλοκες, δικτυωμένες διεπαφές όπου τα οργανοειδή του εγκεφάλου συνδέονται με πραγματικούς αισθητήρες και συσκευές εξόδου και τελικά μεταξύ τους και με οργανοειδή αισθητήρια όργανα (π.χ. οργανοειδή αμφιβληστροειδούς) και εκπαιδεύονται χρησιμοποιώντας βιοανάδραση, αποθήκευση μεγάλων δεδομένων και μεθόδους μηχανικής μάθησης», ανάφερει η δημοσίευση της ομάδας του Hartung.
«Με την οργανοειδή νοημοσύνη, θα μπορούσαμε να μελετήσουμε και τις γνωστικές πτυχές των νευρολογικών καταστάσεων», προσθέτει. «Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να συγκρίνουμε τον μηχανισμό μνήμης οργανοειδών που προέρχονται από υγιείς ανθρώπους και οργανοειδών από ασθενείς με Αλτσχάιμερ ή να χρησιμοποιήσουμε την οργανοειδή νοημοσύνη για να ελέγξουμε εάν ορισμένες τοξικές ουσίες, όπως τα φυτοφάρμακα επηρεάζουν τη μνήμη ή τη μάθηση».
Οργανοειδής νοημοσύνη με ελληνική υπογραφή
Στην έρευνα για τον βιοϋπολογισμό που αξιοποιεί τις δυνατότητες των τρισδιάστατων καλλιεργειών ανθρώπινων εγκεφαλικών κυττάρων για την ανάπτυξη νοημοσύνης σε ένα…πιάτο πρωτοπορεί και η ερευνητική ομάδα του Φίλιππου Τουρλομούση στο ΕΚΕΦΕ «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ».
Η ελληνική ομάδα προχωρά αυτή την έρευνα σε άλλο επίπεδο χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης υψηλής ευκρίνειας για τη δημιουργία ικριωμάτων (πλατφόρμες όπου αναπτύσσονται οι κυτταροκαλλιέργειες) υψηλής ανάλυσης που ενισχύουν σημαντικά το μέγεθος, τη βιωσιμότητα και τη λειτουργικότητα των εγκεφαλικών οργανοειδών.
«Μια σημαντική καινοτομία στη δουλειά μας είναι η ανάπτυξη ικριωμάτων υψηλής ανάλυσης με σχολαστικά σχεδιασμένη πορώδη μικροαρχιτεκτονική και μονοκύτταρα γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Αυτά τα ικριώματα είναι κατασκευασμένα για να εξαλείφουν τον νεκρωτικό πυρήνα που παρατηρείται συχνά σε μεγαλύτερα οργανοειδή και να επιτρέπουν μια ομοιόμορφη κυκλοφορία θρεπτικών συστατικών και οξυγόνου σε όλη τη δομή. Αυτός ο σχεδιασμός μιμείται τη φυσική εξωκυτταρική μήτρα, διασφαλίζοντας ότι όλα τα κύτταρα εντός του οργανοειδούς παραμένουν υγιή και βιώσιμα για παρατεταμένες περιόδους», εξηγεί ο Έλληνας επιστήμονας, η έρευνα του οποίου στοχεύει στην ανάπτυξη κλιμακούμενων και ανθεκτικών οργανοειδών του εγκεφάλου για ποικίλες εφαρμογές.
«Βελτιστοποιώντας τις συνθήκες κυτταροκαλλιέργειας για την προώθηση της έκφρασης γονιδίων κρίσιμων για τη μάθηση και τη μνήμη, ενισχύουμε τις υπολογιστικές ικανότητες αυτών των οργανοειδών», συμπληρώνει.
Ο ίδιος εξηγεί πως το μοτίβο υψηλής ακριβείας και η προκαθορισμένη συνδεσιμότητα νευρώνων που καθίστανται δυνατά χάρη στη μικροαρχιτεκτονική του ικριώματος που δημιούργησε η ομάδα του είναι ζωτικής σημασίας για την πρόοδο του βιοϋπολογισμού και το “ξεκλείδωμα” του πλήρους δυναμικού της οργανοειδούς νοημοσύνης.
«Το ελεγχόμενο περιβάλλον υποστηρίζει την οργάνωση των νευρώνων για συγκεκριμένο σκοπό, η οποία είναι απαραίτητη για τη μοντελοποίηση των νευρωνικών δικτύων με ακρίβεια. Αυτή η ακρίβεια επιτρέπει στα οργανοειδή να μιμούνται καλύτερα τη συνδεσιμότητα και τη λειτουργικότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου, ενισχύοντας έτσι τις δυνατότητές τους για εφαρμογές βιοϋπολογιστών», λέει ο κ. Τουρλομούσης.
Η Διακήρυξη της Βαλτιμόρης
Όμως η δημιουργία οργανοειδών του ανθρώπινου εγκεφάλου που μπορούν να μαθαίνουν, να θυμούνται και να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους εγείρει και περίπλοκα βιοηθικά ζητήματα. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να αναπτύξουν συνείδηση, έστω και σε μια υποτυπώδη μορφή; Θα βιώσουν πόνο ή ταλαιπωρία; Και τι δικαιώματα θα είχαν οι άνθρωποι σχετικά με τα εγκεφαλικά οργανοειδή που παράγονται από τα κύτταρά τους; Σε ποιον ανήκει η πνευματική ιδιοκτησία της ευφυίας που παράγουν;
Το τελευταίο είναι ένα ερώτημα που έχει ήδη τεθεί σε σχέση με την τεχνητή νοημοσύνη. Τα βλαστοκύτταρα που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία εγκεφαλικών οργανοειδών και που προέρχονται από εθελοντές δότες περιπλέκει περαιτέρω αυτό το ηθικό ερώτημα. Διατηρούν οι εθελοντές δότες τα δικαιώματα για οτιδήποτε δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας τον γενετικό τους κώδικα;
Επί του παρόντος, δεν υπάρχουν ενδείξεις ότι αυτά τα κύτταρα έχουν συνείδηση ή την ικανότητα να «σκέφτονται» ή να «αισθάνονται», αλλά καθώς αυτά τα μοντέλα θα κλιμακώνονται, δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι δεν θα το κάνουν ποτέ.
Οι ερευνητές έχουν πλήρη επίγνωση αυτών των θεμάτων. «Ένα βασικό μέρος του σχεδίου μας είναι να αναπτύξουμε την οργανοειδή νοημοσύνη με ηθικό και κοινωνικά υπεύθυνο τρόπο», δηλώνει ο Hartung. «Από την αρχή συνεργαστήκαμε με ειδικούς στη βιοηθική για να δουλέψουμε στη βάση μιας «ενσωματωμένης ηθικής». Όλα τα ζητήματα δεοντολογίας θα αξιολογούνται συνεχώς από ομάδες επιστημόνων, βιοηθικών και από το κοινό, καθώς η έρευνα θα εξελίσσεται».
Ο ίδιος και ο Kagan συμμετείχαν στην ομάδα επιστημόνων που τον Φεβρουάριο του 2022 συνέταξαν την «Διακήρυξης της Βαλτιμόρης προς την εξερεύνηση της οργανοειδούς νοημοσύνης» καλώντας την διεθνή επιστημονική κοινότητα να διερευνήσει τις δυνατότητες του ‘φρέσκου’ αυτού πεδίου, αναγνωρίζοντας και αντιμετωπίζοντας τις σχετικές ηθικές επιπτώσεις.
«Πρέπει να είμαστε σε εγρήγορση για την πιθανότητα των οργανοειδών να αναπτύξουν μορφές ή πτυχές της συνείδησης και να προστατευτούμε από αυτό. Τα πιθανά οφέλη μετασχηματίζουν τον κόσμο, αλλά οι προκλήσεις είναι τρομακτικές. Προσκαλούμε την επιστημονική κοινότητα να συμμετάσχει σε αυτό το ταξίδι. Μόνο με τη συνεργασία θα μπορέσουμε να αξιοποιήσουμε πλήρως τις δυνατότητες της οργανοειδούς νοημοσύνης για την προώθηση της επιστήμης, της τεχνολογίας και της ιατρικής», αναφέρει η Διακήρυξη μεταξύ άλλων. Σε αυτό συμφωνεί και ο Δρ Fred Jordan μιλώντας στο Dnews: «Πρέπει να υπάρξει αρκετή σκέψη για την εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας. Φιλόσοφοι και Επιστήμονες πρέπει να δουλέψουν μαζί πάνω σε αυτό!».