「Organic Intelligence」 – 人間の脳細胞を利用した革新的なバイオコンピューター

AI の印象的な実績にもかかわらず、その計算能力は人間の脳に比べれば見劣りします。 現在、科学者たちは、コンピューティングを前進させる革新的な道筋を明らかにしています。オルガノイド インテリジェンスでは、実験室で成長させた脳オルガノイドが生物学的デバイスとして機能します。

人工知能は常に人間の脳に触発されてきました。 このアプローチは非常に成功していることが証明されています。AI は、病状の診断から詩の作成まで、目覚ましい成果を上げています。 ただし、元のモデルは引き続き多くの点でマシンを上回っています。 これが、たとえば、簡単なオンライン写真クイズで「人間性を証明」できる理由です。 AI を脳のようにしようとするのではなく、ソースに直行したらどうなるでしょうか?

複数の分野の科学者が、脳オルガノイドと呼ばれる脳細胞の 3D 培養が生物学的デバイスとして機能する革新的なバイオコンピューターの作成に取り組んでいます。 彼らはジャーナルでこのビジョンを達成するためのロードマップを説明しています 科学のフロンティア.

実験室で培養された脳オルガノイドの拡大画像で、さまざまな種類の細胞が蛍光標識されています。 (ピンク – ニューロン、赤 – オリゴデンドロ サイト、緑 – アストロ サイト、青 – すべての細胞核)。 クレジット: Thomas Hartung、ジョンズ・ホプキンス大学

ジョンズ・ホプキンス大学の Thomas Hartung 教授は、「私たちは、この新しい学際的な分野を『有機知能』 (OI) と呼んでいます。一流の科学者のコミュニティがこの技術を開発するために集まりました。この技術は、新しい高速化の時代を切り開くと信じています。強力で効率的なバイオコンピューティングです。」

脳のオルガネラとは何ですか?なぜそれらは優れたコンピューターを作るのですか?

脳オルガノイドは、実験室での細胞培養の一種です。 オルガノイドは「ミニ脳」ではありませんが、学習や記憶などの認知機能に不可欠なニューロンやその他の脳細胞など、脳の機能と構造の重要な側面を共有しています。 また、ほとんどの細胞培養は平らですが、オルガネラは三次元構造をしています。 これにより、培養細胞の密度が 1,000 倍になり、ニューロンがより多くの結合を形成できるようになります。

しかし、脳オルガノイドが脳の優れた模倣者であるとしても、なぜそれらはそのような優れたコンピューターを作るのでしょうか? 結局のところ、コンピューターは頭脳よりも賢くて速いのではないでしょうか?

Organic Intelligence: バイオコンピューティング グラフの新境地。 クレジット: Frontiers/ジョン・ホプキンス大学

「シリコンベースのコンピューターは間違いなく数値に優れていますが、脳は学習に優れています」とHartung氏は説明しました. たとえば、AlphaGo [the AI that beat the world’s number one Go player in 2017] 160,000 ゲームのデータでトレーニングされました。 これほど多くのゲームを体験するには、1 日 5 時間、175 年以上プレイする必要があります。」

脳は優れた学習者であるだけでなく、エネルギー効率も優れています。 たとえば、AlphaGo のトレーニングに費やされるエネルギー量は、アクティブな成人を 10 年間維持するために必要な量を超えています。

「脳には、2,500 テラバイトと推定される情報を保存する驚くべき容量もあります」と Hartung 氏は付け加えました。 小さなチップにこれ以上多くのトランジスタを詰め込むことができないため、シリコン コンピューターの物理的な限界に達してしまいました。 しかし、脳はまったく異なる方法で配線されています。 1,015 を超える接続ポイントを介して接続された約 1,000 億のニューロンがあります。 現在の技術と比較すると、強度に大きな違いがあります。」

Organic Intelligence: バイオコンピューティング グラフの新境地。 クレジット: Frontiers/ジョン・ホプキンス大学

有機知能を備えたバイオコンピューターはどのようなものになるでしょうか?

Hartung によると、既存の脳細胞小器官は、OI のためにサイズを大きくする必要があります。 それらは非常に小さく、それぞれ約 50,000 個の細胞を含んでいます。 OI の場合、その数を 1,000 万に増やす必要があります。」

並行して、著者らはオルガネラと通信するための技術も開発しています。つまり、オルガネラに情報を送信し、オルガネラが考えていることを読み取ります。 著者らは、生物工学や生物工学など、さまざまな科学分野のツールを適応させることを計画しています。[{” attribute=””>machine learning, as well as engineer new stimulation and recording devices.

Organoid intelligence requires diverse technologies to communicate with brain organoids infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

“We developed a brain-computer interface device that is a kind of an EEG cap for organoids, which we presented in an article published last August. It is a flexible shell that is densely covered with tiny electrodes that can both pick up signals from the organoid, and transmit signals to it,” said Hartung.

The authors envision that eventually, OI would integrate a wide range of stimulation and recording tools. These will orchestrate interactions across networks of interconnected organoids that implement more complex computations.

Organoid intelligence could help prevent and treat neurological conditions

OI’s promise goes beyond computing and into medicine. Thanks to a groundbreaking technique developed by Noble Laureates John Gurdon and Shinya Yamanaka, brain organoids can be produced from adult tissues. This means that scientists can develop personalized brain organoids from skin samples of patients suffering from neural disorders, such as Alzheimer’s disease. They can then run multiple tests to investigate how genetic factors, medicines, and toxins influence these conditions.

Organoid intelligence will advance medical research and innovation infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

“With OI, we could study the cognitive aspects of neurological conditions as well,” Hartung said. “For example, we could compare memory formation in organoids derived from healthy people and from Alzheimer’s patients, and try to repair relative deficits. We could also use OI to test whether certain substances, such as pesticides, cause memory or learning problems.”

Taking ethical considerations into account

Creating human brain organoids that can learn, remember, and interact with their environment raises complex ethical questions. For example, could they develop consciousness, even in a rudimentary form? Could they experience pain or suffering? And what rights would people have concerning brain organoids made from their cells?

‘Embedded ethics’ will ensure responsible development of organoid intelligence infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

The authors are acutely aware of these issues. “A key part of our vision is to develop OI in an ethical and socially responsible manner,” Hartung said. “For this reason, we have partnered with ethicists from the very beginning to establish an ‘embedded ethics’ approach. All ethical issues will be continuously assessed by teams made up of scientists, ethicists, and the public, as the research evolves.”

How far are we from the first organoid intelligence?

Even though OI is still in its infancy, a recently-published study by one of the article’s co-authors – Dr. Brett Kagan of the Cortical Labs – provides proof of concept. His team showed that a normal, flat brain cell culture can learn to play the video game Pong.

“Their team is already testing this with brain organoids,” Hartung added. “And I would say that replicating this experiment with organoids already fulfills the basic definition of OI. From here on, it’s just a matter of building the community, the tools, and the technologies to realize OI’s full potential,” he concluded.

Reference: “Organoid intelligence (OI): the new frontier in biocomputing and intelligence-in-a-dish” by Lena Smirnova, Brian S. Caffo, David H. Gracias, Qi Huang, Itzy E. Morales Pantoja, Bohao Tang, Donald J. Zack, Cynthia A. Berlinicke, J. Lomax Boyd, Timothy D. Harris, Erik C. Johnson, Brett J. Kagan, Jeffrey Kahn, Alysson R. Muotri, Barton L. Paulhamus, Jens C. Schwamborn, Jesse Plotkin, Alexander S. Szalay, Joshua T. Vogelstein, Paul F. Worley and Thomas Hartung, 27 February 2023, Frontiers in Science.
DOI: 10.3389/fsci.2023.1017235