Автор: Шубхам Агаруал
Мұндай құрылғылар компьютерлік өңдеуді түбегейлі өзгертуге, энергия тиімділігін арттыруға, медициналық тестілеу саласында төңкеріс жасауға әлеуетті. Осы жағы ғалымдарды қатты қызықтырып отыр. Дегенмен біз мұндай жасушаларды қашан саналы деп есептейміз?
2022 жылы бір топ аустралиялық зерттеуші Pong аркадалық ойынының қарапайым симуляциясын іске қосты. Виртуалды ракетканы ешкім басқармаса да, бірнеше мәрте жаңылысып барып, ракетка өздігінен жоғары-төмен қозғалып, ұшып келген допты тосып алып, кері қайтара бастады.
Ойынның 2D нұсқасы Петри табақшасында өсірілген адам және тышқан миы жасушаларының шоғырына жалғанған еді. Зерттеушілер «шағын миға» доп қай тұста екенін көпэлектродты шоғыр арқылы үйретіп, оны дұрыс қайтарған сайын электр стимуляциясымен марапаттады. Жасушалар шамамен бес минуттың ішінде ойынды меңгеріп алып, адамның араласуынсыз-ақ қысқа раллилер ойнай бастады.
«Үлкен тілдік модельдердің (LLM) қазіргі жетістігі мидағы процестерді модельдеуге деген талпыныстан туған», – дейді Cortical Labs компаниясының бас ғылыми қызметкері Бретт Каган, – Мен жиі айтатын, маған қатты ұнайтын бір қанатты сөз бар: «кез келген жеткілікті дамыған машина биологиялық жүйеден айырғысыз болады», ал егер интеллектіні игеруде биологияның өзін қолданып көрсек ше»?
«Pong эксперименті нейрондар тіпті Петри табақшасында да нақты уақыт режімінде үйреніп, жауап қайтара алатынын дәлелдеді», – дейді Джонс Хопкинс университетіндегі Bloomberg қоғамдық денсаулық сақтау мектебінің ассистент профессоры Лена Смирнова. Смирнова араға жыл салып, 2023 жылы басқа зерттеушілермен бірге «органоидтық интеллект» тұжырымдамасын алға тартты. Бұл – адам мен жануар миының тірі жасушаларынан құралған құрылымдардың азғантай үлгіге қарап-ақ үйреніп алу, нақты уақыт режімінде бейімделу және энергияны тиімді пайдалану секілді артықшылықтарын пайдаланатын жаңа ғылыми сала. Осы қасиеттер негізінде компьютердің жаңа түрі – биологиялық компьютер жасау көзделген.
Ми жасушаларын компьютердің өңдеу орталығы ретінде пайдалану ауқымды өзгерістерге жол ашуы мүмкін. Ол жасанды интеллектіні қуаттандыруға қажет энергияны айтарлықтай азайтып, медицинада төңкеріс жасауы ғажап емес. Бұл технология қазірдің өзінде жаңа табысты индустрия қалыптастырып үлгерген, зерттеушілер оны ірі ғылыми серпілістер үшін пайдаланады. Дегенмен қарқынды дамып жатқан бұл сала сананың қай жерде басталатыны мен ауырсынуды сезіне алатын тірі тіндерді пайдаланудың этикалық жағына қатысты күрделі сұрақтар да тудырып отыр.
Тірі компьютер қалай жұмыс істейді?
Бүгінде компьютерден бастап телефонға дейінгі біз қолданатын құрылғының бәрі чиппен жұмыс істейді. Олардың ішінде кремний бетіне дәлдікпен қашалып салынған миллиардтаған транзистор логикалық қақпаларға (logic gates) біріктірілген. Әр чип бірнеше бит деректі қабылдап (input), бір бит дерек шығарады (output). Осындай сансыз қақпаны біріктіру арқылы күрделі процестерді, мысалы, заманауи жасанды интеллект чат-боттарында қолданылатын операцияларды орындауға болады.
Ал биопроцессор деп аталатын ми органоидтарының бірліктері дәстүрлі кремний чипімен үзеңгілесе жұмыс істейді. Әр органоидтың ішінде шексіз нейрондар үш өлшемде өсіп, синапстар арқылы байланыс түзеді. Оларды шектейтін алдын ала салынған тұрақты сымдар жоқ, сондықтан бұл желі үйренген сайын өздігінен ұйымдасып, дамып отырады. Нейрондар ақпаратты бір мезетте электрлік импульстармен де, химиялық сигналдармен де жеткізе алады, бұл қарапайым компьютердің қадам-қадам орындалатын қатаң логикасынан өзгеше.
«Ол жинақы микросхемадан гөрі, тоқтаусыз бейімделе беретін өрмекке көбірек ұқсайды» – дейді Смирнова.
Адамның миы табиғатынан бейімделгіш әрі энергияны да аса тиімді пайдаланады.
Мысалы, OpenAI компаниясының GPT-3 сияқты генеративті жасанды интеллект моделін жаттықтыруға шамамен 1300 мегаватт-сағат (МВт/сағ) электр энергиясы қажет. Бұл АҚШ-тағы 130 үйдің тұтынатын қуатына тең. Ал ми соған ұқсас тапсырманы орындау үшін әлдеқайда аз – кәдімгі шамның қуатынан аспайтын энергия жұмсайды. Джонс Хопкинс университетінің зерттеуіндегі дерекке сәйкес, биокомпьютиң жасанды интеллектінің энергия тұтынуын 1 миллионнан 10 миллиард есеге дейін үнемдей алар еді.
Бристоль университетінің есептеу нейроғылымы зерттеушісі Бен Уорд-Шерье National Geographic басылымына берген сұхбатында: «Энергияны тиімді пайдаланатын нейрондық желілерге арналған ірі органоидтарды дамыту климат өзгерісіне соншалықты әсер етпей-ақ күрделі терең оқыту модельдерін іске қосуға көмектесуі мүмкін», – деп мәлімдеді.
Биопроцессорлар қазірдің өзінде қолданыста
Бейресми тілде «тірі компьютер» деп аталатын бұл технология бұдан былай ғылыми қиял емес. Бүгінде бірнеше шағын стартап-компания оны коммерциялық жолмен жасап шығаруға кіріскен.
Мысалы, Швейцариядағы FinalSpark компаниясының Neuroplatform платформасында кез келген адам айына 1 000 доллар төлеп, органоидтар шоғырымен онлайн тәжірибе жасай алады. Бұл орталықта мыңдаған өңдеу бірлігі инкубацияланады, әр органоид сегіз электрод арқылы кәдімгі компьютерге жалғанған. Зерттеушілер FinalSpark бағдарламалық жабдықтамасын қолдана отырып, нейрондарға электр сигналдарын жіберу арқылы оларды белсендіріп, реакциясын бақылай алады. Тіпті сол нейрондарды допамин мен серотонин сияқты ләззат сыйлайтын нейротрансмиттерлердің әсеріне ұшыратып, оларды есептік тапсырмаларды орындауға үйрете алады.
Cortical Labs компаниясы биологиялық компьютерлерін онлайн (бұлт) жалға берумен қатар, биылдан бастап әр данасын 35 000 долларға сата бастады. Олар ғылыми-фантастикалық фильмдегі аппараттарды еске салады: әйнек пен металдан жасалған үлкен контейнердің ішінде адам миы жасушаларын жарты жылға дейін тірі сақтауға қажеттің бәрі – қалдықтарды сүзу жүйесінен бастап температураны реттейтін құрылғыға дейін – бар.
Кейінгі бірнеше жылда зерттеушілер жекеменшік компаниялар шығарған биологиялық компьютерлерді ғылыми жаңалықтарды сынақтан өткізуге пайдаланып келеді.
Мәселен, Бристоль университетінің зерттеушісі Бен Уорд-Шерье органоидтарды роботтарға «ми» ретінде енгізеді. Бұл оларға жұмыс істеп жатқан кезінде үйрене алуға мүмкіндік береді. Оның командасы Neuroplatform органоидтарын пайдаланып, Брайль қаріптерін 83 пайыз дәлдікпен оқитын жүйе әзірледі.
Әр қаріптің кеңістіктіктегі ақпараты белгілі бір электрлік импульс түрінде кодталады, ал нейрондар бұл импульстарды ажырата біледі. Уорд-Шерьенің командасы жақын арада органоидтарды пайдаланып, роботтарды белгілі бір жағдай мен оқиғаға қарай моторлы бұйрықтарды орындауға, мысалы, затты сезіп, оның пішінін бойлай қозғалатын робот-қолды басқаруға үйретуді жоспарлап отыр. Мұндай қабілет болашақта роботтың өзара әрекеттесіп жатқан нысанды түсінуіне көмектесе алады.
Тірі ми жасушаларынан жасалған компьютер сіздің ноутбугыңыздың процессорын алмастырады деп айтуға әзірше әлі ерте.
Біріншіден, компьютер жүйелерінде қолданылып жүрген ми жасушалары әлі де дамудың бастапқы кезеңінде – биологиялық құрылымы жағынан да, әрекеті жағынан да эмбрионға ұқсайды. Оларда жетілген адам миындағыдай құрылымданған жүйе жоқ, сондықтан күрделі когнитивті қабілеттерді орындай алмайды. Қазіргі күйінде органоидтарға тек қарапайым стимул арқылы бастапқы деңгейдегі тапсырмаларды орындауды немесе ең қарапайым жады қызметін үйретуге болады.
Бұдан бөлек, органоидтар бір-біріне мүлде ұқсамайды, әрқайсының жосығы әрқалай. Оларды ұзақ уақыт бойы тірі ұстау да әлі үлкен қиындық тудырып отыр.
Смирнова жасушалық компьютерлер сенімділігі мен ауқымы жағынан көпшілікке арналған дәстүрлі есептеу тапсырмаларын орындауға әлі де дайын емес екенін мойындайды. Дегенмен олардың жетілмегені бұл жүйелерге икемділік береді, ал бұл ғылыми зерттеулер үшін өте қолайлы қасиет.
Дәріні сынаудың қауіпсіз әрі адамгершілікке сай әдісі
Смирнованың айтуынша, оның зерттеу тобы таяу келешекте жүйке жүйесі ауруларын жақсырақ түсініп, емдеу үшін органоидтарды пайдалануды жалғастыра бермек. Қазіргі таңда органоидтардың деңгейі күрделі ақпаратты өңдеуге жетпесе де, олар дәрі-дәрмектерді жануарларға зиян келтірмей, тиімді әрі адамгершілікке сай сынаудың жаңа жолына айналып отыр.
Зерттеушілер жуық арада науқастың дің жасушаларынан органоид өсіріп, белгілі бір дәрі оның нақты нейрондарына қалай әсер ететінін сынап көре алады немесе нейроуыт әсерін тексеру үшін химиялық заттар жинағын скринингтен өткізе алады. Бір ғажабы, мұның бәрі жануарларды қатыстырмай-ақ іске асады.
Экзетер университетіндегі Тірі жүйелер институтының профессоры Кайл Уэджуод дәл осыны іске асырып жатыр. Ол FinalSpark компаниясының Neuroplatform платформасын пайдалана отырып, Альцгеймер секілді аурулардан кейін мидың есте сақтау қабілетін қалпына келтірудің жолдарын зерттеп жүр.
«Бұл жұмыс нейродегенератив аурулардың салдарын жеңілдетуге көмектесетін ақылды, имплантацияланатын биотехнологияның негізін қалайды», – дейді Уэджуод.
Органоидтар қашан ағзамыздың бір бөлшегіне айналады?
Зертханалық жағдайда өсірілген осы «шағын милар» күрделене түскен сайын, ғалымдар олардың санасы қашан қалыптаса бастайтыны әрі олардың ауырсынуды сезетін рецепторларын белсендірудің этикалық жағына қатысты сауалдарды зерделеп жатыр.
Смирнова органоидтардың сана белгілерін көрсете бастауын күтпей-ақ, жануарға жүргізілетін зерттеулердегідей ережелер мен шектеулер енгізу шараларына кірісіп кеткен. Ол үшін арнайы этика комитеттері мен хаттамалар құрылып, органоидтардың азап шегуін болдырмау көзделіп отыр. Іс жүзінде бұл органоидтың жасына шектеу қою, олармен қандай тәжірибе жасауға болатынын нақтылау, жасушалар қандай жолмен алынатыны мен өсірілетіні және егер олар адамнан алынса, оларды донордың келісімімен ғана әрі барынша жауапкершілікпен пайдалану дегенді білдіреді.
«Ең бастысы, «сезімтал» мидың тінін жасау әлі шындыққа айналмай тұрып-ақ, біз барынша сақтықпен әрі жауапкершілікпен әрекет етіп жатырмыз», – дейді Смирнова.
Қадірлі оқырман, әлемдік деңгейдегі зерттеулерді фото және инфографика, карта түріндегі көрнекі безендірулерімен оқығыңыз келсе, мына нөмірге +7 771 149 9144 хабарласып, журналымызды жаздырып алуыңызға болады немесе төмендегі «САТЫП АЛУ» батырмасын басып, Каспи арқылы жаңа журнал сатып ала аласыз.