Мозг человека медленнее искусственного интеллекта справляется с простыми задачами, например, с решением арифметических уравнений. Но людям не стоит расстраиваться, ведь машины все еще серьезно проигрывают нашему «серому веществу» в обработке сложной, многоуровневой информации, неопределенных или неполных данных.
Кроме того, мозг может выполнять и последовательную, и параллельную обработку, а компьютеры — только первую.
Самый быстрый мозг на Диком Западе
В 2013 году четвертому по величине компьютеру в мире потребовалось 40 минут, чтобы смоделировать 1 секунду из 1% мозговой активности человека. Емкость мозга — 2,5 тысячи ТБ. Самый мощный суперкомпьютер в мире — Frontier — работает с производительностью 1,102 эксафлопс и «лопает» для этого 21 МВт. Человеческий мозг выдает почти тот же эксафлопс, но потребляет более чем в миллион раз меньше — 20 Вт. То есть мозг в 106 раз энергоэффективнее современных машин, хоть и при выполнении иных задач.
Высокое энергопотребление ограничивает возможности интеграции искусственного интеллекта в области, требующие решения сложных задач.
Еще одно преимущество главного органа — ему нужно меньше наблюдений, чтобы чему-то научиться. Одно из исследований показало, что людям для освоения простой задачи нужно около 10 выборок. Для сравнения пчелам нужно около 102 выборок, а компьютерам — 106. Искусственный интеллект не может учиться в режиме реального времени и изменяющейся среды.
Новый игрок на рынке интеллектов
Все, написанное выше, — это подводка к новому исследованию международной группы ученых, которые задались вопросом: можно ли использовать мозг вместо компьютера? Чтобы это проверить они создали OI — органоидный интеллект, который призван фантастически повысить скорость и мощность вычислений, одновременно кратно снизив зависимость компьютеров от энергии.
OI — это созданные на 3D-принтере органоиды (постоянные компоненты) мозга. Сырье для них — перепрограммированные в стволовые соматические клетки человека, которые обычно получают из кожи. Каждый органоид состоит менее, чем из 100 тысяч клеток. Он составляет примерно одну трехмиллионную человеческого мозга, что в теории соответствует 800 Мб памяти.
Плотность клеток в органоидах аналогична этому показателю в живом мозге. Эти структуры могут проявлять спонтанную электрофизиологическую активность и реагировать на электрическую и химическую стимуляцию, то есть «оснащены» активными аксонами — отростками нервных клеток, которые проводят импульсы от клеток к центральной нервной системе. Эти аксоны, в свою очередь, обширно покрываются миелином — изоляцией для передачи электрических потенциалов действия. В органоидах миелинизированных были 40% аксонов. В человеческом мозге — 50%. Следует отметить, что миелинизация повышает электропроводность аксона примерно в 100 раз.
Органоиды могут быть обогащены различными клетками, которые участвуют в «биологическом обучении»: олигодендроцитами, участвующими в создании миелина, микроглиями, которые формируют и поддерживают контакт между синапсами, или астроцитами, превращающимися в нервную ткань. Олигодендроциты и астроциты вносят значительный вклад в пластичность обучения и память.
Органоиды, по сути, являются структурными элементами: они воспроизводят пространственно-временные молекулярные сигнатуры, сети экспрессии генов, фенотипы нейронов, — и не способны выполнять функции мозга более высокого порядка. Ключевая преграда для повышения сложности и функциональности системы — питание. Мозг использует обширную сосудистую сеть, а органоиды ее лишены и питаются за счет пассивной диффузии. В будущем этот механизм могут заменить микрофлюидные системы, позволяющие контролировать подачу кислорода и питательных веществ, а также удаление отходов. Через эти системы будет осуществляться передача органоидам химических сигналов.
Чтобы получать и записывать информацию органоидам нужны интерфейсы. Основу большинства интерфейсов мозг-компьютер (BCI) составляют микроэлектродные матрицы (MEAs). Они подходят для записи, стимуляции и решения параллельных задач. Но у них есть серьезный недостаток — они плоские. Органоиды объемны и будут соприкасаться с матрицей незначительной частью. Кроме того, органоиды мягкие, а MEAs твердые. Это несоответствие может привести к снижению производительности.
Мозг из машины
Ученые разрабатывают специальный 3D MEA-интерфейс, который вдохновлен ЭЭГ-колпачками, снимающими электрические сигналы с кожи головы. Органоиды выращивают внутри гибких оболочек, покрытых зондами. Эти трубки могут стимулировать и фиксировать состояние всей поверхности органоида. При этом обеспечивается высочайшее разрешение и чистота сигнала. В будущем эксперты планируют попасть внутрь органоида, вырастив его вокруг нейропикселя — кремниевого зонда, разработанного для внеклеточной регистрации сигналов мозга животных. Устройства могут записывать сотни сигналов отдельных нейронов с высоким разрешением и длительно взаимодействовать с нервной тканью.
Главная проблема интерфейса — ограниченный масштаб взаимодействия. Решить ее можно двумя путями: полностью оптическим, который позволяет возбуждать клетку за клеткой и считывать данные со всего органоида, или с помощью высокопроизводительной электрофизиологической регистрации.
Компьютер от ума
Исследователи стремятся наладить взаимодействие органоида и компьютера для запуска обучающих симуляций. Это делается с помощью воздействия на органоид электрических и химических паттернов и записи результатов. Затем подвергаются анализу изменения в архитектуре и функциональности органоидов мозга. Эти два фактора влияют на синаптическую пластичность — основной механизм формирования памяти и обучения.
Ученые уверены, что OI будет генерировать колоссальные массивы данных. Для их анализа потребуется мощный искусственный интеллект и производительность суперкомпьютеров. Саму информацию нужно будет хранить в структурах памяти, которые смогут обеспечить стандартные матричные или тензорные вычисления без потокового доступа к полному набору данных.
В будущем органоиды смогут стать воплощенными агентами, которые взаимодействуют с окружением через интерфейс «органоид – компьютер». Через различные выходные устройства они будут управлять машинами посредством биологической обратной связи на клеточном уровне.
Ранее «Мир робототехники» писал, что с каждым днем мы — люди — все больше зависим от самых разных устройств. Они проникли во все сферы нашей жизни и постепенно становятся частью нас самих. Замена органов и частей тела протезами, имплантация чипов в мозг — все это постепенно объединяет человека и машину. Но насколько мы близки к тому, чтобы стать одним существом? Когда появятся настоящие киборги?
