ZNANSTVENICI su prvi put u povijesti uspješno spojili sustav umjetne inteligencije s malenim modelom ljudskog mozga, tzv. organoidom, i tako stvorili hibridno računalo.

Ovaj eksperiment, predstavljen u časopisu Nature Electronics, mogao bi biti važan u razvoju bioračunala i hibridnih računala, a također bi mogao omogućiti bolje razumijevanje ljudskog mozga i neurodegenerativnih bolesti.

Dva razloga spajanja mozga i računala

Kada gledamo povijest teorije hibridnih sustava čovjek-računalo, postoje dvije grupe razloga zašto bi se hibrid čovjeka i računala pokušavao stvoriti.

Prvi je pretpostavka da bi ljudski um kao softver mogao postati još moćniji ako bi se upario s hardverom nekog superračunala.

Neuroznanstvenik Dinko Mitrečić, pročelnik Katedre za histologiju i embriologiju Medicinskog fakulteta u Zagrebu, kaže da neki futuristi vjeruju kako će pohranjivanje ljudske svijesti u računalo omogućiti da se zauvijek sačuvaju sva sjećanja neke osobe.

Druga mogućnost je da se modeli ljudskog mozga koriste kao hardver, odnosno da se razviju biološka računala koja bi mogla imati bolje performanse od umjetnih.

Mitrečić kaže da je u novom radu primijenjen taj pristup.

"Um, algoritam, odnosno softver umjetne inteligencije spojen je s hardverom ljudskih stanica mozga kako bi se vidjelo mogu li se na ovaj način zaobići hardverski problemi koje imaju suvremena računala", kaže Mitrečić.

Problemi koje imaju računala

Jedna od glavnih zapreka u razvoju AI-ja danas je to što je obučavanje umjetnih neuronskih mreža na trenutno postojećim računalnim hardverima dugotrajno i energetski neučinkovito.

Jedan od ključnih uzroka ovih problema je tzv. von Neumannovo usko grlo. To je problem koji je prepoznao mađarsko-američki matematičar, fizičar i informatičar John von Neumann, a odnosi se na ograničenje u računalnoj arhitekturi koje proizlazi iz činjenice da se instrukcijski ciklusi i operacije s podacima ne mogu zbivati u istom trenutku jer u računalu dijele zajedničku putanju po kojoj se kreću podaci. To često ograničava performanse sustava.

U kontekstu umjetne inteligencije, ovo usko grlo može se eliminirati obradom informacija na istom onom mjestu na kojem su one i pohranjene, što omogućuje veći računalni kapacitet u manjem opsegu.

Autori nove studije također upozoravaju da u posljednje vrijeme dolazi do usporavanja poznatog Mooreovog zakona, prema kojem se broj tranzistora u integriranim krugovima udvostručuje otprilike svake dvije godine, što postavlja dodatna ograničenja na trenutni razvoj hardvera za AI.

Sve to pak znači da su za daljnji razvoj hardvera za AI potrebni neki alternativni pristupi, a autori tu vide mjesto za hibride mozga i AI sustava te za bioračunala.

Ljudski mozak – najsloženija struktura u poznatom svemiru

Ljudski mozak složena je trodimenzionalna biološka mreža od oko 200 milijardi stanica (čovjek ima više stanica nego što ima zvijezda u Mliječnoj stazi!), a te su pak stanice međusobno povezane stotinama trilijuna sinapsi, što ljudski mozak čini uvjerljivo najkompleksnijom strukturom u poznatom svemiru.

Mitrečić kaže da je također začuđujuća i još uvijek neobjašnjiva efikasnost ljudskog mozga.

"Iako je naizgled vrlo sličan mozgu primata ili dupina, sposobnost izvođenja najkompleksnijih kognitivnih radnji ljudskog mozga nam je još uvijek velik misterij. Dobar primjer je igranje šaha. Superračunalo je u tome izvrsno samo zato što može matematički hladno izračunati velik broj poteza u jedinici vremena te se tako suprotstavlja čovjeku, sada već iznimno uspješno. Pritom računalo ne obavlja sve druge stvari koje radi ljudski mozak – ono je usko specijalizirano. S druge strane, šahist ne računa sve moguće poteze u svakoj poziciji, već se mnogo toga događa na nesvjesnoj razini koju još uvijek ne razumijemo. Pritom je zapanjujuća energetska efikasnost s kojom to ljudski mozak radi. Primjerice, ljudski mozak za obavljanje određenih operacija troši samo 20-ak vata, dok trenutno postojeći AI hardver za pokretanje istih operacija troši oko 8 milijuna vata", tumači naš stručnjak.

Razvoj minijaturnog mozga u laboratoriju

Kako bi koristili ljudsko tkivo kao hardversku osnovu za umjetnu inteligenciju, znanstvenici su u novom istraživanju konstruirali 3-D organoid ljudskog mozga sastavljen od različitih vrsta ljudskih tkiva.

Što su 3-D organoidi ljudskog mozga? Za razliku od uobičajenih kultura stanica u kojima stanice rastu plošno na podlozi jedna pored druge (tzv 2D kulture), organoidi su kuglaste nakupine građene od živčanih stanica koje rastu u 3D okruženju, što je mnogo sličnije stvarnoj strukturi ljudskog mozga.

U novom istraživanju tkivo ljudskog mozga u obliku organoida korišteno je kao svojevrsni "black box" sustav u koji su putem električnih impulsa unošeni različiti podaci te je mjeren odgovor stanica organoida.

Mitrečić kaže da ne možemo razumjeti što se sve točno događalo između trenutka unošenja određene informacije u organoid i detektiranja njegovog odgovora.

"No očito je da su računalne neuronske mreže obrađivale podatke i postepeno, tijekom vremena učile kako biti sve točnije", kaže naš stručnjak s MEF-a.

Sustav je prilično dobar u jeziku i matematici

Koristeći ovaj nekonvencionalni hardver, istraživači su istrenirali svoj hibridni algoritam za dovršavanje dvije vrste zadataka - zadatke prepoznavanja govora i zadatke iz matematike.

U prvom slučaju, računalo je pokazalo oko 78% točnosti u prepoznavanju japanskih samoglasnika iz stotina audio uzoraka.

Sustav je također bio prilično precizan u rješavanju matematičkih zadataka, no malo manje od tradicionalnih sustava strojnog učenja. Valja naglasiti kako su se svi rezultati postepeno poboljšavali učenjem, odnosno ponavljanjem zadataka.

Metoda iz novog rada za sada koristi aktivnost ljudskih neuronskih mreža za manje kompleksne zadatke, no autori smatraju da bi mogla predstavljati prvi korak u procesu stvaranja bioračunala u kojima bi se biološka rješenja mogla koristiti za razvoj snažnijih i energetski učinkovitijih računala od tradicionalnih.

Uvidi u funkcioniranje ljudskog mozga

Studija također ukazuje na važne elemente funkcioniranja ljudskog mozga, odnosno kako aktivno treniranje neuronskih mreža postepeno poboljšava njihovu točnost i efikasnost.

Mitrečić kaže da je to u svakodnevnom životu vidljivo kod vježbanja bilo koje aktivnosti kao što je igranje tenisa, sviranje klavira ili učenje jezika te da istovremeno ukazuje na nužnost vježbanja ljudskog mozga u borbi protiv starenja i demencije.

"Primjerice, jako se preporučuje učiti nove vještine ili znanja kao što je novi strani jezik, čak i u visokoj životnoj dobi, kako bi se usporilo ili zaustavilo napredovanje promjena tipičnih za demenciju", poručuje naš stručnjak.

Što možemo očekivati u budućnosti?

Ovakve studije vrlo su kompleksne, zahtjevne i skupe.

Mitrečić kaže da je za razvoj organoida do barem umjereno razvijenog stadija, potrebno otprilike isto toliko vremena kao za normalan fetalni razvoj istog tkiva, što je oko 20 tjedana.

"Takvo tkivo može živjeti razmjerno kratko i vrlo je osjetljivo na još uvijek razmjerno primitivne načine uzgoja u kulturi stanica. To pak znači da su pokusi s organoidima iznimno skupi i vremenski zahtjevni", tumači naš stručnjak.

S druge strane, ovakva istraživanja daju nam izuzetno vrijedne podatke o tome kako funkcioniraju neuronske mreže, kojom brzinom uče i kako ih možemo poboljšati.

Mitrečić predviđa da će poboljšanja ići u dva smjera.

"Vjerojatno će ići prema hardverskom poboljšanju samih mreža i prema stvaranju još kompleksnijih softverskih algoritama koji mogu obavljati još više zadataka u kraćem vremenu", kaže Mitrečić.

Smatra da se ovdje zgodno uklapa poruka s jednog futurističkog neuroznanstvenog skupa.

"Danas je očito da ljudi sadrže sve više umjetnih elemenata, implantate zuba, razne proteze, čipove koji pokreću umjetne udove, razne elektroničke elemente itd. Istovremeno, AI je sve sličniji ljudskom umu, a roboti u koje se on ugrađuje sve su sličniji ljudskim tijelima. Dakle, imamo ljude koji su sve sličniji robotima i robote koji su sve sličniji ljudima. Možda ćemo se, jednog dana u budućnosti toliko jedni drugima približiti da ćemo se spojiti i više se nećemo međusobno razlikovati", kaže Mitrečić.

Kod nas razvijen prvi organoid mozga s Alzheimerom

Jedan od potencijala nove studije također je u omogućavanju istraživanja neurodegenerativnih bolesti kao što su Alzheimerova i Parkinsonova. Organoidi bi trebali zamijeniti eksperimente na životinjama koji su uglavnom etički dvojbeni. Pritom su životinjski organi lošiji modeli od ljudskih organoida jer su razlike u tkivima veće.

Mitrečić kaže da je grupa na zagrebačkom Medicinskom fakultetu u koju je i sam uključen, u suradnji s grupom na Veterinarskom fakultetu te s nizom međunarodnih suradnika, prva na svijetu razvila organoid ljudskog mozga koji razvija sve glavne patološke elemente Alzheimerove bolesti.

"Zahvaljujući tome otkrili smo novi protektivni gen BACE2 protiv demencije. U našem posljednjem radu otkrili smo gen DYRK1A koji uzrokuje ubrzano starenje mozga kod osoba s Downovim sindromom. Oba otkrića imaju veliki potencijal dovesti do terapija koje bi pomogle osobama koje boluju od demencije i Downovog sindroma, a klinički pokusi su u tijeku", tumači Mitrečić.

Dinko Mitrečić je liječnik neuroznanstvenik, pročelnik Katedre za histologiju i embriologiju Medicinskog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu te voditelj Laboratorija za matične stanice Hrvatskog instituta za istraživanje mozga.

Grupa profesora Mitrečića prva je u Hrvatskoj počela s istraživanjima na različitim vrstama matičnih stanica prije 15-ak godina te je jedna od svega nekoliko grupa u Europi koje su prije nekoliko godina počele koristiti organoide ljudskog mozga u istraživanju neurodegenerativnih bolesti mozga kao što su Alzheimerova demencija i Downov sindrom.