Из клеток человеческого мозга сделали биочип. Они смогли распознать речь!

Учёные использовали адаптивные резервуарные вычисления биологических нейронных сетей в органоиде мозга – и добились любопытных результатов.

В мире не существует компьютера, даже отдаленно напоминающего такой мощный и сложный инструмент, как человеческий мозг. Орган в нашем черепе может обрабатывать информацию в удивительных количествах и на впечатляющей скорости.

Ключом к такому «успеху» мозга является эффективность нейронов, выполняющих функции одновременно процессора и устройства памяти – в отличие от физически разделенных блоков в большинстве современных вычислительных устройств.

Инженеры-разработчики не раз пытались сделать процесс вычислений более похожим на работу мозга, но в новой попытке они пошли необычным путем – путем интеграции реальной ткани человеческого мозга с электроникой. Устройство получило название Brainoware, и оно оказалось рабочим.

В 2013 году компьютер Riken K – на тот момент один из самых мощных суперкомпьютеров в мире – предпринял попытку имитировать человеческий мозг. С 82 944 процессорами и петабайтом оперативной памяти потребовалось 40 минут, чтобы смоделировать одну секунду активности 1,73 миллиарда нейронов, соединенных в 10,4 триллиона синапсов, но и это усилие оказалось равносильно всего 1-2% активности человеческого мозга.

В новом исследовании команда под руководством инженера Фэн Го из Университета Индианы попыталась найти новый подход, используя настоящую ткань человеческого мозга, выращенную в лаборатории. Плюрипотентные стволовые клетки человека «уговорили» развиться в различные типы клеток мозга, которые организовались в трехмерные мини-мозги (органоиды), наполненные связями и структурами.

Это пока еще не настоящий мозг, а просто структура тканей, не претендующая на собственные мысли, эмоции или сознание. Но они полезны для изучения того, как развивается и работает мозг, без необходимости вскрывать чью-то реальную черепную коробку.

Brainoware состоит из органоидов мозга, соединенных с массивом микроэлектродов высокой плотности. Для работы были применены резервуарные вычисления – вдохновленные работой нейронов и мозга нейроморфные вычислительные системы, которые могут обрабатывать данные параллельно и распределенно. Электрическая стимуляция переносит информацию в органоид – резервуар, в котором эта информация обрабатывается, прежде чем Brainoware выдает свои расчеты в форме нейронной активности.

Фото: Cai et al., Nat. Electron., 2023

Для входного и выходного слоев используется обычное компьютерное оборудование. Эти слои нужно было обучить для работы с органоидом, при этом выходной слой считывает нейронные данные и делает классификации или прогнозы на основе входных данных.

Чтобы продемонстрировать систему, исследователи предоставили Brainoware 240 аудиоклипов, записанных восемью мужчинами, говорящими на японском языке, и попросили ее идентифицировать голос одного конкретного человека. После двухдневного обучения Brainoware смогла идентифицировать говорящего с точностью 78 процентов. Подробности можно прочитать в научной статье, опубликованной в результате исследования. 

Как объясняют ученые, по-прежнему существуют существенные ограничения, в том числе проблемы сохранения жизни и здоровья органоидов, а также уровни энергопотребления периферийного оборудования. Но, принимая во внимание этические соображения, Brainoware имеет значение не только для вычислений, но и для раскрытия других тайн человеческого мозга.

Клетки мозга в чашке научились играть в пинг-понг

читать