Werden zukünftige Computer mit menschlichen Gehirnzellen arbeiten?

Halten Sie es für möglich, dass in nicht allzu ferner Zukunft Computer auf der Grundlage menschlicher Gehirnzellen arbeiten werden? Auf dem Gebiet, das derzeit als „organoide Intelligenz“ bezeichnet wird, sind in letzter Zeit große Fortschritte zu verzeichnen. Forscher der Johns Hopkins University hoffen, dass noch zu unseren Lebzeiten ein „Biocomputer“ hergestellt wird, der von menschlichen Gehirnzellen gesteuert wird. Sie sind der Meinung, dass sich die Fähigkeiten der heutigen Computer dank dieser Technologie stark erweitern werden und dass als direkte Folge davon einige neue akademische Bereiche entstehen werden.

Heute hat die Gruppe in der Zeitschrift Frontiers in Science eine Beschreibung ihrer Methode zur Erreichung dessen, was sie als „organoide Intelligenz“ bezeichnen, vorgelegt.

Das menschliche Gehirn versus künstliche Intelligenz?

„Computer und künstliche Intelligenz haben die technologische Revolution vorangetrieben, aber sie stoßen an eine Grenze“, sagt Thomas Hartung, Professor für Umwelt- und Gesundheitswissenschaften an der Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health und der Whiting School of Engineering, der dieses Projekt leitet. Hartung ist für die Leitung dieses Projekts verantwortlich.

Die Revolution in der Technologie wurde zu einem großen Teil durch Fortschritte in der Informatik und der künstlichen Intelligenz vorangetrieben. Bei diesem Vorhaben wird von Hartung erwartet, dass er die Initiative ergreift und das Ruder in die Hand nimmt.

Das „Biocomputing“ ist ein gewaltiges Unterfangen, das die Verdichtung der Rechenleistung und die Verbesserung ihrer Effizienz erfordert, um die bestehenden technologischen Barrieren zu durchbrechen. Dies geschieht, damit die Wissenschaft der computergestützten Biologie weitere Fortschritte machen kann. Dahinter steht die Motivation, die Grenzen des heute technisch Machbaren auszuloten.

Worum geht es bei organoider Intelligenz?

Seit etwa zwanzig Jahren forschen Wissenschaftler an Organen wie Nieren, Lungen und anderen Organen mit Hilfe von Mikroorganoiden. Mikroorganoide sind Gewebe, die im Labor so hergestellt werden, dass sie voll ausgereiften Organen ähneln.

Die Entwicklung dieser Organoide erfolgt auf eine Weise, die mit dem Prozess der Organbildung in einem echten Lebewesen vergleichbar ist. Dadurch können sie die Notwendigkeit von Versuchen an menschlichen oder tierischen Versuchspersonen umgehen und so Zeit und Geld sparen. Die Erforschung von Hirnorganoiden ist in den letzten Jahren zu einem Schwerpunkt von Hartung und seinen Forscherkollegen am Johns Hopkins geworden.

Hirnorganoide sind Kugeln, die etwa die Größe eines Kugelschreibers haben und Neuronen und andere Elemente enthalten, die grundlegende Aktivitäten wie Lernen und Gedächtnis aufrechterhalten können. Aufgrund ihres Potenzials, einen Paradigmenwechsel in den Neurowissenschaften herbeizuführen, sind Hirnorganoide in den letzten Jahren Gegenstand intensiver Forschung gewesen.

Hartung glaubt, dass dies den Weg für weitere Untersuchungen über die Funktionsweise des menschlichen Gehirns ebnet. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass dies der Fall ist, so Hartung „weil man anfangen kann, das System zu manipulieren und Dinge zu tun, die man mit menschlichen Gehirnen aus ethischen Gründen nicht tun kann.“ Diese Erklärung wird durch frühere Forschungen gestützt.

Wie ein Biocomputer funktionieren könnte

Im Jahr 2012 begann Dr. Hartung mit der Kultivierung und dem Zusammenbau von Gehirnzellen zu funktionalen Organoiden unter Verwendung von Zellen, die aus menschlichen Hautproben gewonnen und in einen Zustand umprogrammiert worden waren, der mit dem von embryonalen Stammzellen vergleichbar war.

Die in diesem Prozess verwendeten Zellen wurden iPS-Zellen genannt, was für induzierte pluripotente Stammzellen steht. Er erreichte dies durch die Verwendung von Zellen, die den Prozess der Reprogrammierung durchlaufen hatten. Diese Zellen ähnelten sehr stark den embryonalen Stammzellen, die bei dem Prozess verwendet wurden und als Vergleich dienten.

Jedes Organoid besteht aus etwa 50.000 Zellen, was in etwa der Anzahl der Nervenzellen entspricht, die man im Nervensystem einer Fruchtfliege finden kann. Zurzeit träumt Hartung davon, einen Computer der Zukunft aus Gehirnorganoiden zu bauen, die als einzelne Komponenten der Maschine fungieren würden. Er stellt sich dies in ferner Zukunft vor.

Innerhalb der nächsten zehn Jahre, so Hartung, könnten Computer, die auf dieser „biologischen Hardware“ laufen, dazu beitragen, die Anforderungen an die Energiemenge, die für Supercomputer benötigt wird, zu senken. Diese Vorhersage wurde vor dem Hintergrund getroffen, dass der Begriff „biologische Hardware“ von Hartung geprägt wurde. Es ist zu erwarten, dass diese neue Entwicklung in den Vereinigten Staaten stattfinden wird. Diese Kriterien bewegen sich schnell auf einen Kipppunkt zu, nachdem sie nicht mehr in irgendeiner Form geliefert werden können.

Möglichkeiten der Nutzung

Auch wenn Computer Berechnungen mit Zahlen und Daten viel schneller durchführen können als Menschen, sind menschliche Gehirne immer noch weit überlegen, wenn es darum geht, komplizierte logische Entscheidungen zu treffen, wie z. B. die Unterscheidung zwischen einem Hund und einer Katze. Computer können zum Beispiel Berechnungen mit Zahlen und Daten sehr viel schneller durchführen als Menschen. So sind Computer bei der Durchführung von Berechnungen, die eine Kombination aus Zahlen und Daten beinhalten, wesentlich effizienter als Menschen. Um nur ein Beispiel zu nennen: Wenn es um die Durchführung von Berechnungen geht, die eine Kombination aus Zahlen und Daten erfordern, sind Computer wesentlich effizienter als Menschen.

Laut Hartung, einer der führenden Autoritäten in der Branche, ist das Gehirn von den heutigen Maschinen immer noch unerreicht. Die jüngste Version des Supercomputers in Kentucky, die als Frontier bezeichnet wird, ist eine Installation, die in einem 6.800 Quadratmeter großen Raum untergebracht ist und 600 Millionen Dollar kostet. Erst im Juni des vergangenen Jahres war dieser Computer in der Lage, die Verarbeitungskapazität eines einzelnen menschlichen Gehirns zu übertreffen, und das, während er eine Million Mal so viel Energie verbrauchte, wie das menschliche Gehirn gebraucht hätte, um das Gleiche zu erreichen.

Hartung zufolge könnte es noch einige Jahrzehnte dauern, bis die organoide Intelligenz ein System antreiben kann, das mit der Intelligenz einer Maus vergleichbar ist, und er glaubt, dass dies der Fall sein wird. Hartung glaubt, dass dies der Fall sein wird. Trotzdem sieht er diesem Tag positiv entgegen. Er stellt sich eine Welt vor, in der Biocomputer in Zukunft über deutlich verbesserte Fähigkeiten in den Bereichen Rechengeschwindigkeit, Verarbeitungsleistung, Dateneffizienz und Speicherkapazität verfügen werden. Die Mittel, mit denen dieses Ziel erreicht werden soll, sind die vermehrte Herstellung von Hirnorganoiden und das Lehren dieser Hirnorganoide mit Hilfe von künstlicher Intelligenz. Dies sind die beiden Strategien, die zum Einsatz kommen werden.

Wann kommen die Biocomputer?

Hartung ist überzeugt, dass es noch Jahrzehnte dauern wird, bis das Ziel erreicht ist. Trotzdem wird die Aufgabe sehr viel schwieriger, wenn nicht sofort damit begonnen werde, finanzielle Vorbereitungen zu treffen, um das Ziel der Fertigstellung zu erreichen.

Die organoide Intelligenz könnte auch die Erforschung von Medikamententests für neurologische Entwicklungsstörungen und Neurodegeneration revolutionieren, so Lena Smirnova, Assistenzprofessorin für Umweltgesundheit und Ingenieurwesen an der Johns Hopkins University, die auch Co-Leiterin der Untersuchungen ist. Sie glaubt, dass dies enorme Auswirkungen auf die gesamte Branche haben könnte.

Smirnova merkte an, dass sie eine vergleichende Forschung zwischen den Gehirnorganoiden, die von Spendern mit normal entwickelten Gehirnen gewonnen wurden, und den Gehirnorganoiden, die von Spendern mit Autismus gewonnen wurden, durchführen wollen. Einer der Forscher sagte, dass die Werkzeuge, die jetzt für das biologische Rechnen entwickelt werden, die gleichen sind, die es uns ermöglichen würden, die Veränderungen in den Gehirnnetzwerken zu untersuchen, die für Autismus spezifisch sind. Dadurch wird es uns möglich sein, die grundlegenden Systeme zu untersuchen, die den Gründen zugrunde liegen, warum bestimmte Menschen spezifische kognitive Defizite und Unzulänglichkeiten haben. Deshalb müssen wir unsere Studien nicht mehr an echten Patienten oder an Tieren durchführen, um dieses Ziel zu erreichen.

Ethische Auswirkungen organoider Intelligenz

Die ethischen Auswirkungen, die mit der Arbeit an organoider Intelligenz verbunden sind, konnten dank der Einbeziehung eines breit gefächerten Konsortiums von Wissenschaftlern, Bioethikern und Mitgliedern der Öffentlichkeit in das Team bewertet werden. Dies hat es dem Team ermöglicht, mit dem Projekt voranzukommen. Die Tatsache, dass die Arbeit mit organoider Intelligenz mit der Herstellung künstlicher Intelligenz zusammenhängt, ist die Hauptursache für diese Verzweigungen.

In den letzten 2 Jahren wurden bereits verschiedene andere Studien zu Organoid-Intelligenz durchgeführt. So beschrieb eine andere frühere Studie, wie Organoiden verwendet wurden, um mathematische Gleichungen zu lösen, was als früher Schritt in Richtung der Verwendung von lebendem Hirngewebe als künstliche Intelligenz angesehen wird [2].

DNA-Computer

Zum Bereich des Biocomputing gehören auch das DNA-Computing, ein relativ neues Teilgebiet, bei dem anstelle der üblichen elektronischen Computerhardware die DNA, die Biochemie und die Molekularbiologie eingesetzt werden. Die Theorie, die Tests und die Anwendungen des DNA-Computings stehen im Mittelpunkt der Forschungs- und Entwicklungsbemühungen in diesem Bereich. Obwohl Len Adlemans Präsentation einer Computeranwendung im Jahr 1994 als der Beginn dieser Disziplin gilt, hat sie sich seitdem in verschiedene andere Bereiche weiterentwickelt, wie z. B. die Entwicklung von Speichertechnologien, Bildgebungsmodalitäten im Nanomaßstab, synthetische Steuerungen und Reaktionsnetzwerke usw.

 

Quellen

1. Lena Smirnova et al. Organoid intelligence (OI): the new frontier in biocomputing and intelligence-in-a-dish. Frontiers in Science, 2023 DOI: 10.3389/fsci.2023.1017235
2. Michael Le Page, Human brain cells used as living AIs to solve mathematical equations, NewScientist, March 2023.
3. Biological Computing, Wikipedia 2023.
4. DNA Computing, Wikipedia 2023.

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