Komórki mózgowe mogą zastąpić chipy krzemowe — oto dlaczego mogłoby to zaoszczędzić energię

Twój komputer może pewnego dnia działać na komórkach mózgowych.

Naukowcy niedawno znalezione że komputery biologiczne mogłyby oszczędzać energię elektryczną w porównaniu z używanymi obecnie chipami krzemowymi. W artykule ogłaszającym odkrycie naukowcy opisali wykorzystanie 50 000 komórek mózgowych wyhodowanych z komórek macierzystych. Jest to część rosnącego ruchu mającego na celu wykorzystanie mocy ewolucji do przyspieszenia przetwarzania komputerowego.

„Jest to napędzane imponującymi możliwościami mózgu w porównaniu z komputerem, takimi jak jego wydajność, ciągłe uczenie się i intuicyjne podejmowanie decyzji” – dodał. Tomasza Hartunga, profesor kl Uniwersytet Johna Hopkinsa i jeden z głównych autorów artykułu, powiedział Lifewire w wywiadzie e-mailowym. „Najszybszy superkomputer na świecie osiągnął szacunkową pojemność obliczeniową pojedynczego ludzkiego mózgu dopiero w czerwcu ubiegłego roku, ale komputer ten zajmował powierzchnię 6800 stóp kwadratowych i kosztował 600 milionów dolarów”.

Jak sprawić, by komputery biologiczne działały

Zespół badawczy opisał w swoim artykule metodę tworzenia „inteligencji organoidalnej” (OI). W podejściu tym wykorzystano organoidy mózgowe hodowane w hodowli komórkowej, które mają te same funkcje i strukturę co mózgi.

Pomysł wykorzystania mózgu jako komputera nie jest całkowicie nowy. Hartung zauważył, że jego koledzy badacze wykazali w zeszłym roku, że a kultura komórek mózgowych mogłaby się nauczyć grać w grę komputerową Pong. Inni naukowcy pokazali, jak to zrobić sterować robotami za pomocą organoidów mózgowych.

„Dowiadujemy się, jak zoptymalizować takie procesy i wykorzystać je jako punkty odniesienia do optymalizacji modeli lub wpływu substancji badanych” – powiedział Hartung.

Jednak sprawienie, by mózgi pracowały jak komputery, jest trudne. Jamesa Giordano, profesor neurologii i biochemii na ul Centrum Medyczne Uniwersytetu Georgetown, powiedział w wywiadzie e-mailowym, że jednym z podejść jest fuzja komputerów obejmująca dwie podstawowe architektury: pierwsza polega na tym, że sprzęt obliczeniowy jest strukturalnie „wpasowany” w układ neuronowy komórek. Druga metoda polega na dopasowaniu komórek nerwowych do obwodów obliczeniowych, pojedynczo lub w małych skupiskach.

„Takie podejścia można zastosować, aby umożliwić systemom obliczeniowym „interpretację” aktywności węzłów i sieci komórek nerwowych, a także całych organoidów układowych; w tym drugim przypadku może umożliwić dostosowanie właściwości komórek nerwowych i przesłanie ich bezpośrednio do systemów obliczeniowych” – dodał.

Środek do celu

Komputery biologiczne mogłyby ostatecznie przejąć niektóre tradycyjne zadania obliczeniowe, Dave Turek, dyrektor ds. technologii KATALOG, firma opracowująca systemy przechowywania danych i komputery oparte na DNA, podała w e-mailu. Podkreślił, że w ostatnich latach branża IT była świadkiem rozprzestrzeniania się technologii dostosowanych do konkretnych celów, w tym akceleratorów, takich jak procesory graficzne, komputery kwantowe i potężne komputery równoległe.

„Ta wydajność i skala odbywają się jednak kosztem większego zużycia energii, większego zapotrzebowania na pamięć i długoterminowe przechowywanie oraz większej złożoności zarządzania” – powiedział Turek. „Wywołało to ogromne zainteresowanie i dynamikę systemów obliczeniowych DNA opartych na chemii, które mają znacznie mniejsze rozmiary fizyczny ślad, zużywają o rząd wielkości mniej energii i są odporne na tradycyjne zabezpieczenia elektroniczne słabe punkty.”

Firma Turka osiągnęła niedawno kamień milowy w obliczeniach opartych na DNA, demonstrując podstawowe możliwości wyszukiwania równoległego z wykorzystaniem chemii DNA. KATALOG zakodowany ok 17 000 słów z Hamleta Szekspira w DNA we wrześniu.

„Innowacyjne podejście projektu CATALOG po raz pierwszy pokazuje, jak wykorzystać ogromną równoległość chemii DNA przeszukać niemal dowolną ilość danych zapisanych w DNA bez oczekiwanego proporcjonalnego wzrostu zasobów” – Turek powiedział.

Pomimo ostatnich postępów nie spodziewaj się, że wkrótce kupisz organiczny komputer stacjonarny. Hartung powiedział, że obliczenia biologiczne to bardziej „wizja” niż praktyczna rzeczywistość.

„Trudno sobie wyobrazić laptopa regularnie zasilanego pożywkami do hodowli komórkowych” – dodał. „Osobiście mogę sobie raczej wyobrazić, że uczymy się, jak działa mózg, próbując obliczeń biologicznych i odpowiednio modelując architekturę naszego komputera”.

Petr Sulć, jakiś Uniwersytet Stanu Arizona badacz zajmujący się nanotechnologią biomimetyczną i informatyką molekularną, powiedział w e-mailu, którego się spodziewa wkrótce obliczenia oparte na komórkach i biomolekułach znajdą zastosowanie w celach diagnostycznych i terapeutycznych cele.

„Wykorzystanie organoidów komórek mózgowych do bardziej energooszczędnych obliczeń może być jeszcze dość odległe” – dodał. „Oprócz atrakcyjności „efektywności energetycznej” należy wziąć pod uwagę wysokie koszty z nią związane produkcję i konserwację tych komórek, co mogłoby przewyższyć skuteczność obliczeniową takiego systemu oferta."

Aktualizacja 3.09.2023: Poprawiono nazwę źródła w akapicie 3.