Σημαντικά Βήματα Προς την Οργανοειδική Νοημοσύνη που Λαμβάνονται

Τεχνητή Νοημοσύνη (AI) έχει γίνει ένας γνωστός όρος στον τεχνολογικό κόσμο σήμερα, διαμορφώνοντας πολλές πτυχές της καθημερινής μας ζωής. Ωστόσο, εμφανίζεται ένα νέο σύνορο στον χώρο της επιστήμης – η Οργανοειδική Νοημοσύνη (OI) – η οποία, αν και δεν είναι τόσο ευρέως αναγνωρισμένη όσο η AI, διαθέτει αξιοσημείωτο δυναμικό. Αλλά τι ακριβώς είναι η Οργανοειδική Νοημοσύνη και γιατί κερδίζει προσοχή στους επιστημονικούς κύκλους;

Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ορίζει την Οργανοειδική Νοημοσύνη ως μια «συλλογική προσπάθεια προώθησης της χρήσης εγκεφαλικών οργανοειδών — μικρών σφαιρικών μάζων εγκεφαλικού ιστού που καλλιεργούνται από βλαστοκύτταρα — για υπολογισμό, έρευνα φαρμάκων και ως μοντέλο για τη μελέτη σε μικρή κλίμακα του πώς μπορεί να λειτουργήσει ένας πλήρης εγκέφαλος».

Ο οργανισμός επίσης επισημαίνει δύο επαναστατικές έρευνες που έχουν καταστήσει δυνατή την ανάπτυξη των οργανοειδών. Θα αναφερθούμε σε αυτές τις έρευνες σε λίγο. Αλλά πριν από αυτό, θα εμβαθύνουμε στην κατανόηση του τι σκέφτεται η επιστημονική κοινότητα για το δυναμικό της Οργανοειδικής Νοημοσύνης.

Μία ανησυχητική ομάδα ερευνητών πιστεύει ότι τα βιοϋπολογιστικά συστήματα βασισμένα στην OI θα επιτρέψουν ταχύτερη λήψη αποφάσεων. Θα βοηθήσουν στη συνεχή μάθηση κατά τη διάρκεια των εργασιών και θα εισαγάγουν μεγαλύτερη ενεργειακή και δεδομενική αποδοτικότητα στη διαδικασία. Θα συμβάλουν επίσης στην κατανόηση της παθοφυσιολογίας πίσω από σοβαρές αναπτυξιακές και εκφυλιστικές ασθένειες όπως η άνοια. Φυσικά, θα βοηθήσουν και στη θεραπεία αυτών των ασθενειών εντοπίζοντας νέες θεραπευτικές προσεγγίσεις.

Δεδομένης της τεράστιας δυνατότητας της OI να κάνει καλό, λαμβάνονται πολλαπλά σημαντικά βήματα προς την Οργανοειδική Νοημοσύνη (OI). Θα τα εξετάσουμε στα επόμενα τμήματα. Αλλά θα ξεκινήσουμε με τα δύο επαναστατικά κομμάτια έρευνας για την ανάπτυξη οργανοειδών που ήδη αναφέραμε.

Οργανοειδία Προερχόμενα από Επαγωγικά Πλαστικά Βλαστοκύτταρα

Τα οργανοειδία που προέρχονται από IPSC ήρθαν σε συζητήσεις κατά τη διάρκεια της εξάρθρωσης του COVID-19. Ένα επιστημονικό ερευνητικό άρθρο ανέφερε λεπτομέρειες για οργανοειδία αεραγωγών, εγκεφάλου, εντέρου, ήπατος, αιμοφόρων αγγείων, νεφρών, εσωτερικού αυτιού κ.λπ. Δεδομένης αυτής της ποικιλίας, η συζήτησή μας θα περιοριστεί τώρα στο να εστιάσει ειδικά στα οργανοειδία του εγκεφάλου.

Το άρθρο παραθέτει τρία κρίσιμα σημεία:

• Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες ανέπτυξαν οργανοειδία εγκεφάλου χρησιμοποιώντας αυθόρμητη διαφοροποίηση των εμβρυοειδών σωμάτων (EBs).
• Τα πρώτα οργανοειδία εγκεφάλου ήταν εξαιρετικά ετερογενή.
• Η ετερογένεια οδήγησε τους ερευνητές στην ανάπτυξη περιοδικά-συγκεκριμένων οργανοειδών εγκεφάλου επηρεάζοντας συγκεκριμένες διαδρομές σηματοδότησης.

Μια άλλη έρευνα που βοήθησε στην ανάπτυξη οργανοειδών αφορούσε τις τεχνικές καλλιέργειας κυττάρων σε 3Δ.

Καλλιέργεια Κυττάρων 3Δ

Η κίνητρο πίσω από την ανάπτυξη τεχνικών καλλιέργειας κυττάρων σε 3Δ προέκυψε από τις αδυναμίες που παρατηρήθηκαν στην καλλιέργεια κυττάρων σε δύο διαστάσεις. Οι πρακτικές και μέθοδοι καλλιέργειας κυττάρων σε δισδιάστατο περιβάλλον αποτυγχάνουν να αναπαράγουν την ανατομία ή τη φυσιολογία του ιστού για ενημερωτική ή χρήσιμη μελέτη.

Οι τεχνικές καλλιέργειας κυττάρων σε 3Δ, από την άλλη πλευρά, είναι πιο κοντά στη φυσιολογία των ζώων και των ανθρώπων. Και καθώς ωριμάζουν, θα βοηθήσουν στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη συν-καλλιεργειών. Αυτές οι τεχνικές θα μπορούσαν να αποδειχθούν χρήσιμες στην κατασκευή ιστών για κλινική χορήγηση και στην ανάπτυξη μοντέλων για έλεγχο φαρμάκων.

Τέτοιες προόδους στην καλλιέργεια κυττάρων σε 3Δ είναι επίσης καθοριστικές στην έρευνα γύρω από τα οργανοειδία που προέρχονται από IPSC και την οργανοειδική νοημοσύνη. Τα IPSC, για παράδειγμα, μπορούν να εξελιχθούν σε οποιοδήποτε κύτταρο που βρίσκεται στο σώμα ενός ζώου.

Οι τεχνικές καλλιέργειας σε 3Δ και οι μέθοδοι 3Δ-σκαλοποιήσεων, ειδικά, βοηθούν τους βιολόγους να καλλιεργούν νευρικούς ιστούς που προέρχονται από IPSC κάθετα και οριζόντια, ανοίγοντας το δρόμο για την ανάπτυξη των ενδονευρωνικών δικτύων που παρατηρούνται στον εγκέφαλο ενός ζώου.

Η αναπαραγωγή αυτού του πολύπλοκου δικτύου βοηθά να εμβαθύνουμε στην οργανοειδική νοημοσύνη και να αναπτύξουμε πιο εξελιγμένες μεθόδους.

Αποθεματική Υπολογιστική Οργανοειδών Εγκεφάλου για AI

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Electronics επισημαίνει τα επιτεύγματα που καταγράφηκαν στην υπολογιστική υλικοτεχνική εμπνευσμένη από τον εγκέφαλο, η οποία μιμείται τη δομή και τις αρχές λειτουργίας του εγκεφάλου. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η ανάπτυξη έχει τη δυνατότητα να αντιμετωπίσει τους τρέχοντες περιορισμούς της AI.

Η έρευνα, ειδικότερα, αναφέρει μια προσέγγιση υλικού AI που αξιοποιεί προσαρμοστική αποθεματική υπολογιστική βιολογικών νευρωνικών δικτύων σε ένα οργανοειδές εγκεφάλου. Η προσέγγιση ονομάζεται Brainoware. Βασίζεται στην εκτέλεση υπολογισμών αποστέλλοντας και λαμβάνοντας πληροφορίες από το οργανοειδές εγκεφάλου μέσω ενός υψηλής πυκνότητας πολυηλεκτροδίου.

Σύνθεση Οργανικών Ημιαγωγών: Άνοιγμα Νέων Οριζόντων για Υπερ-Αποδοτικές Ηλεκτρονικές Συσκευές

Μία ομάδα ερευνητών από το Τμήμα Χημείας του UNIST διευκόλυνε το χώρο ώστε να ανοίξει περαιτέρω σε καινοτομικές ευκαιρίες, επιτυγχάνοντας μια επανάσταση στη σύνθεση οργανικών ημιαγωγών. Οι ερευνητές ανέφεραν τη σύνθεση και χαρακτηρισμό ενός παραγώγου ανθρακένου B2N2 με μονάδα BNBN που σχηματίστηκε με τη μετατροπή της μονάδας BOBN στην ακμή zigzag. Τα ευρήματα αναμένεται να βοηθήσουν στην ανάπτυξη μεγαλύτερων ακενών με πολλαπλές μονάδες BN που θα έχουν πολλές εφαρμογές στην οργανική ηλεκτρονική.

Σύμφωνα με τον Songhua Jeong, πρώτο συγγραφέα της μελέτης:

«Η μελέτη μας για το ανθρακένιο, έναν τύπο ακενίου που αναγνωρίζεται ευρέως ως οργανικός ημιαγωγός, έχει θέσει τα θεμέλια για μελλοντικές προόδους στον τομέα.»

Ο κ. Jeong συνέχισε να λέει:

«Η συνεχής σύνδεση BN που συντέθηκε μέσω αυτής της έρευνας έχει μεγάλο δυναμικό για εφαρμογές σε οργανικούς ημιαγωγούς.»

Με την ποικιλία έρευνας που ανοίγει δρόμους για την άνθηση της Οργανοειδικής Νοημοσύνης, οι ειδικοί σε αυτόν τον τομέα λένε ότι η οργανοειδική νοημοσύνη μπορεί να γίνει αρκετά ισχυρή ώστε να τροφοδοτεί τους υπολογιστές μας στο μέλλον.

Ένα μέλλον που δεν φαίνεται πλέον μη ρεαλιστικό, όπου κύτταρα εγκεφάλου που καλλιεργούνται στο εργαστήριο θα αποθηκεύουν και θα ανακτούν μεγάλες ποσότητες δεδομένων με μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις. Με περαιτέρω κλιμάκωση, αυτές οι λύσεις μπορεί ακόμη να αναπτύξουν συνείδηση για να σκέφτονται ή να αισθάνονται αυτόνομα.

Οργανοειδική Νοημοσύνη: Εργαστήρια και Χρηματοδότηση

Διάφορες προσπάθειες βρίσκονται σε εξέλιξη για να διερευνήσουν περαιτέρω το δυναμικό της οργανοειδικής νοημοσύνης.

Μεταξύ 22 και 24 Φεβρουαρίου 2022, το Πανεπιστήμιο John Hopkins διοργάνωσε το πρώτο Organoid Intelligence workshop. Ο σκοπός ήταν η δημιουργία μιας κοινότητας OI και η διαμόρφωση του θεμελίου για την εδραίωση της OI ως νέα επιστημονική дисципλή. Η κίνητρο πίσω από το εργαστήριο προήλθε από την πεποίθηση ότι η OI θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά την υπολογιστική, την νευρολογική έρευνα και την ανάπτυξη φαρμάκων.

Περαιτέρω επικύρωση του δυναμικού της OI ήρθε όταν η Διεύθυνση Μηχανικής του Εθνικού Ινστιτούτου Επιστημών των ΗΠΑ (NSF) προγραμμάτισε μια νέα περιοχή για το πρόγραμμα Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI) στο οικονομικό έτος 2024, και ονομάστηκε «Engineering Organoid Intelligence».

Το NSF είναι γνωστό για την υποστήριξη της επιστήμης και της μηχανικής έρευνας και των ανθρώπων που σχετίζονται με αυτή, παρέχοντας εγκαταστάσεις, όργανα και χρηματοδότηση. Το NSF είχε προϋπολογισμό 9,5 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ στο οικονομικό έτος 2023. Αυτά τα κεφάλαια φθάνουν σε όλες τις πενήντα πολιτείες των ΗΠΑ μέσω επιχορηγήσεων που χορηγούνται σε σχεδόν 2.000 κολέγια, πανεπιστήμια και ιδρύματα.

Το θέμα «Engineering Organoid Intelligence» στοχεύει στην υποστήριξη θεμελιώδους έρευνας για την ανάπτυξη μηχανικών βιοϋπολογιστών μέσω εγκεφαλικών οργανοειδών. Το NSF πίστευε ότι οι καλλιέργειες οργανοειδών σύντομα θα έχουν διεπαφές με ηλεκτρονικά για την παροχή εισόδου και την εξαγωγή εξόδου σε εξωτερικά ψηφιακά συστήματα.

Εκτός από πανεπιστήμια, ερευνητικά ιδρύματα και κυβερνητικά τμήματα, πολλές εταιρείες έχουν αναλάβει την προώθηση της οργανοειδικής νοημοσύνης. Θα δούμε τώρα μερικές από αυτές τις εταιρείες και τις προσπάθειές τους.

#1. Final Spark

Ιδρύθηκε από τους Martin Kutter και Fred Jordan το 2014 και εδρεύει στην Ελβετία, η Final Spark προωθεί βιολογικούς επεξεργαστές τσιπ που καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια.

Όπως ισχυρίζεται η νεοσύστατη εταιρεία, έχει δοκιμάσει ήδη 10 εκατομμύρια νευρώνες στην προσπάθειά της να δημιουργήσει μηχανές σκέψης από ζωντανούς ανθρώπινους νευρώνες που προέρχονται από το δέρμα.

Η νεοσύστατη εταιρεία αξιοποιεί εξελιγμένες τεχνικές καλλιέργειας κυττάρων για να επιδείξει την αυτοσυντηρούμενη υπολογιστική ικανότητα για τη δημιουργία μελλοντικών μοντέλων AI.

#2. BiologiC and NVIDIA

Η BiologiC Technologies, εταιρεία με έδρα το Cambridge, Ηνωμένο Βασίλειο, είναι γνωστή για τους βιοϋπολογιστές της, τους οποίους η εταιρεία ορίζει ως «αυτοματοποιημένη προγραμματιζόμενη και επαναρυθμιζόμενη πλατφόρμα βιοεπεξεργασίας για πολλαπλές βιολογικές εφαρμογές».

Η πατενταρισμένη αρχιτεκτονική υλικού της λύσης διαθέτει τέσσερα βασικά μοντέλα:

• Ο προηγμένος πυρήνας δρομολόγησης βοηθά στη μεταφορά υγρών και βιοαερίων μέσω του συστήματος.
• Το μπλοκ εισόδου και εξόδου βοηθά στον έλεγχο της φόρτωσης των πρώτων υλών και της εξόδου του τελικού βιοπροϊόντος.
• Το μοντέλο BPU βοηθά σε δραστηριότητες βιοεπεξεργασίας όπως η ανάπτυξη κυττάρων, η ενδοκυτταρική μεταγραφή κ.λπ.
• Τέλος, το πυρήνα αισθητήρα βοηθά στην παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο του περιβάλλοντος βιοεπεξεργασίας.

Στις 13 Μαρτίου 2023, η BiologiC Technologies εντάχθηκε στο πρόγραμμα NVIDIA (NVDA ) Inception, ένα πρόγραμμα που θα βοηθήσει τη BiologiC να ενσωματώσει την υπολογιστική άκρη και την AI στους βιοϋπολογιστές της. Αυτή η ενσωμάτωση θα βοηθήσει τελικά τους βιοϋπολογιστές της BiologiC να φέρουν επαναστατικές βελτιώσεις στις εγκαταστάσεις βιολογικής επεξεργασίας της και να μειώσουν την απειλή των ασθενειών με βιώσιμο, προσβάσιμο και προσιτό τρόπο.

Σύμφωνα με τις διαθέσιμες πληροφορίες, η CPI Enterprises επένδυσε στη BiologiC. Η CPI επενδύει σε υψηλής δυναμικής deep tech για εταιρείες ώστε να κλιμακώσουν γρήγορα, παίζοντας τον διπλό ρόλο επενδυτή και τεχνικού υποστηρικτή.

Σύμφωνα με τον Frank Millar, διευθύνοντα σύμβουλο της CPI:

«Έχοντας συνεργαστεί στενά για μεγάλο χρονικό διάστημα, εντυπωσιαζόμαστε από την ταχύτητα υλοποίησης και την εμπορική απήχηση της BiologIC. Βλέπουμε ισχυρά πλεονεκτήματα στο σύστημα βιο-υπολογιστή της BiologIC και τη δυνατότητα αύξησης της παραγωγικότητας βιοεπεξεργασίας σε σχέση με τον ανταγωνισμό στον κλάδο.»

Στις 21 Νοεμβρίου 2023, η NVIDIA ανακοίνωσε έσοδα για το τρίτο τρίμηνο που έληξε στις 29 Οκτωβρίου 2023, ύψους 18,12 δισεκατομμυρίων δολαρίων, αύξηση 206% σε σχέση με το προηγούμενο έτος και αύξηση 34% σε σχέση με το προηγούμενο τρίμηνο.

#3. BioMap and MBUZAI: Κοινές Προσπάθειες για τη Δημιουργία ενός Βιοϋπολογιστικού Εργαστηρίου 

Στις 14 Μαρτίου 2023, η BioMap συνήψε μια στρατηγική συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Mohamed bin Zayed Τεχνητής Νοημοσύνης (MBZUAI) για να εισαγάγει το πρώτο ερευνητικό εργαστήριο καινοτομίας βιοϋπολογισμού στη Μέση Ανατολή και να καλύψει τις ανάγκες των σεναρίων βιοεπιστήμης στην περιοχή.

Η συνεργασία θα εξερευνήσει το δια-μορφικό βιο-υπολογιστικό μοντέλο της BioMap, xTrimo (Cross-model Transformer Representation of Interactome and Multi-Omics), στην επίτευξη μεγάλης κλίμακας μοντέλων βιοεπιστήμης στην παραγωγή πρωτεϊνών, την πρόβλεψη δομής πρωτεϊνών, την πρόβλεψη λειτουργίας κυττάρων και άλλες εργασίες βιοεπιστήμης.

Η εστίαση θα είναι στην επίτευξη επαναστατικών εξελίξεων στις πρωτεΐνες που παράγονται από AI (AIGP) για να βοηθήσει τις ανάγκες της Μέσης Ανατολής σε ιατρική υγεία, σχεδίαση φαρμάκων, ενέργεια και προστασία του περιβάλλοντος.

Εκτός από το σχεδιασμό πρωτεϊνών, οι δυνατότητες της BioMap θα βοηθήσουν επίσης στην επίτευξη ισχυρών δυνατοτήτων χαρακτηρισμού κυττάρων, ακριβούς μοντελοποίησης ανοσοκυττάρων για πρώτη φορά, και άλλα.

Συνεγκαταστάθηκε από τον Διευθύνοντα Σύμβουλο της Baidu, Robin Li, η BioMap βοηθά στη συνδυασμό κορυφαίων δυνατοτήτων AI και βιοτεχνολογίας για την αντιμετώπιση των πιο κρίσιμων προβλημάτων στη βιοεπιστημονική βιομηχανία, όπως η ανακάλυψη στόχων, ο σχεδιασμός νέων φαρμάκων και η βελτιστοποίηση ενζύμων.

Η κινεζική νεοσύστατη εταιρεία βιολογικού υπολογισμού συγκέντρωσε πάνω από 100 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ σε χρηματοδότηση σειράς Α, σύμφωνα με αναφορές που δημοσιεύτηκαν τον Αύγουστο του 2021. Η γύρος ηγήθηκε από την CGV Capital. Άλλοι επενδυτές περιλάμβαναν τη Baidu, τη Legend Capital, τη Bluerun Ventures και την Xianghe Capital.

Ποια Κατεύθυνση Πηγαίνει η OI;

Αδιαμφισβήτητη, η OI έχει κερδίσει τη φαντασία της επιστημονικής κοινότητας. Πολύπλοκες τεχνολογικές εταιρείες και νους επενδύουν επίσης πόρους. Το πώς θα διαμορφωθεί το μέλλον για την OI εξαρτάται, ωστόσο, από μερικές κρίσιμες πτυχές που σχετίζονται με τη φύση της ανάπτυξής της.

Η επιτυχία της OI ως επαναστατική τεχνολογική καινοτομία θα εξαρτηθεί από το πόσο γρήγορη, αποδοτική και ισχυρή μπορεί να γίνει σε σύγκριση με την υπολογιστική βασισμένη σε πυρίτιο και την AI. Επιπλέον, τα ενισχυμένα πρότυπα ταχύτητας, αποδοτικότητας και ισχύος θα πρέπει να έχουν χαμηλότερες ενεργειακές απαιτήσεις για να την κάνουν πιο ελκυστική και οικονομικά αποδοτική.

Στο μέλλον, η OI πρέπει να γίνει πραγματικά πολυεπιστημονική, καθώς είναι μια εξαιρετικά πολύπλοκη και λεπτομερής διαδικασία να κλιμακώσουμε τα τρέχοντα εγκεφαλικά οργανοειδή σε ανθεκτικές 3Δ δομές. Αυτές οι δομές θα είναι γεμάτες από κύτταρα και γονίδια που βοηθούν τους ανθρώπους να μαθαίνουν νέα, σύνθετα πράγματα.

Επιπλέον, η σχεδίαση των ιδανικών βιοϋπολογιστών θα απαιτήσει τη σύνδεση αυτών των οργανοειδών με προηγμένες συσκευές εισόδου και εξόδου, ιδιαίτερα ηλεκτρονικές, εξοπλισμένες με υψηλής τεχνολογίας AI και συστήματα μηχανικής μάθησης.

Οι ερευνητές στον τομέα πιστεύουν ότι υπάρχει μεγάλη ανάγκη για νέα και εξελιγμένα μοντέλα, αλγόριθμους και τεχνολογίες διεπαφής για την εγκαθίδρυση αποτελεσματικής και ουσιαστικής επικοινωνίας με αυτά τα εγκεφαλικά οργανοειδή. Για να γίνει η έξοδος κορυφαία, οι δημιουργοί πρέπει να γνωρίζουν πώς μαθαίνουν, υπολογίζουν, επεξεργάζονται και αποθηκεύουν τα δεδομένα.

Το εύρος των δεδομένων, όπως ήδη φαίνεται, θα είναι τεράστιο και εκτεταμένο σε όγκο.

Στο ενδιάμεσο διάστημα, η έρευνα OI θα βοηθήσει επίσης στη βελτίωση της κατανόησής μας για το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος και το βαθύ και πολύπλοκο νευρωνικό του δίκτυο. Αυτές οι γνώσεις θα βοηθήσουν στη καλύτερη θεραπεία των ασθενών που υποφέρουν από νευρολογικές ασθένειες.

Τέλος, η αναπαραγωγή των δυνατοτήτων ενός ανθρώπινου εγκεφάλου σε εργαστηριακό περιβάλλον θα μπορούσε να γίνει ένα επίτευγμα με τεράστιες συνέπειες. Η δυνατότητα κακής χρήσης θα μπορούσε να είναι σημαντικά υψηλή. Συνεπώς, από τα πρώτα βήματα, η επιστημονική κοινότητα πρέπει να διασφαλίσει ότι η έρευνα και η ανάπτυξη γύρω από την OI παραμένουν ιδιαίτερα ευαίσθητες στα ηθικά συστήματα της κοινωνίας μας. Το ηθικό πλαίσιο δεν πρέπει να είναι λιγότερο από ένα καθοριστικό παράδειγμα για την άνθιση της OI στο μέλλον.

Κάντε κλικ εδώ για τη λίστα των πιο υποσχόμενων βιοτεχνολογικών μετοχών.