Organoidiäly: vuoden 2023 tutkimusohjelma ja sen mahdollisuudet

Kvanttilaskentaa pidetään usein yhtenä tulevista tietojenkäsittelyn läpimurroista. Vuonna 2023 tutkijat esittelivät myös toisen mahdollisen lähestymistavan: organoidiälyn eli organoid intelligence -tutkimuksen (OI).

Mooren laki kuvaa integroidulle piirille mahtuvien transistorien määrän kasvua. Gordon Moore esitti vuonna 1965 noin vuosittaisen kaksinkertaistumisen ja tarkisti vuonna 1975 aikavälin noin kahdeksi vuodeksi. Kyse ei ole yleisestä säännöstä, jonka mukaan tietokoneiden hinnat puolittuvat. Lämpö, energiankulutus ja valmistustekniikan fyysiset rajoitteet vaikeuttavat jatkuvaa pienentämistä.

Nämä rajoitteet motivoivat vaihtoehtoisten laskentatapojen tutkimusta. Niistä ei kuitenkaan seuraa, että Mooren laki lakkaisi toimimasta tiettynä vuonna tai että organoidiäly väistämättä korvaisi piipohjaiset tietokoneet.

Mitä organoidiäly tarkoittaa?

Vuonna 2023 Johns Hopkinsin yliopiston tutkijat ja heidän yhteistyökumppaninsa kehittivät OI:n ideaa ja tutkimusohjelmaa. He kuvasivat sitä kehittyväksi monitieteiseksi alaksi, jossa tutkitaan biologista laskentaa ihmisen aivosolujen kolmiulotteisten viljelmien eli aivo-organoidien sekä soluviljelmien ja koneiden välisten rajapintojen avulla.

OI:n tavoitteena on yhdistää biologiset soluviljelmät elektronisiin rajapintoihin, joiden kautta niille voidaan antaa ärsykkeitä ja mitata niiden vasteita. Tutkijat selvittävät, voisivatko tällaiset järjestelmät oppia ja suorittaa ohjattuja tehtäviä.

Kehittyneet OI-järjestelmät saattavat olla vuosikymmenten päässä. Tutkimus rakentuu laboratoriossa kasvatettujen kudosten pitkäaikaiselle tutkimukselle, mutta käytännöllinen biologinen tietokone vaatii vielä huomattavaa kehitystä.

Vuonna 2022 Brett Kaganin johtama Cortical Labsin tutkijaryhmä yhteistyökumppaneineen raportoi DishBrain-kokeesta, jossa laboratoriossa kasvatetut hermosoluviljelmät oppivat parantamaan suoritustaan yksinkertaistetussa Pong-pelissä. Kokeessa käytettiin kaksiulotteisia ihmisen tai hiiren hermosoluviljelmiä ja elektrodimatriisia, ei kolmiulotteisia aivo-organoideja. Tulos ei osoittanut ihmisen kaltaista tietoisuutta.

Miksi organoidiälyä tutkitaan?

Biologisilla ja piipohjaisilla järjestelmillä on erilaisia vahvuuksia. Ihmisaivot pystyvät oppimaan ja käsittelemään monimutkaista tietoa suhteellisen pienellä energiankulutuksella, kun taas nykyiset tietokoneet suorittavat täsmällisiä laskutoimituksia erittäin nopeasti. OI-tutkimuksessa selvitetään, voisiko joitakin biologisen oppimisen ominaisuuksia hyödyntää laskennassa.

OI-tutkija Thomas Hartung havainnollisti energiankulutuksen eroa vertaamalla aivoja Frontier-supertietokoneeseen. Frontier sijaitsee Oak Ridgessä Tennesseessä, ja se nousi maailman nopeimmaksi supertietokoneeksi toukokuussa 2022. Hartung kuvasi sitä noin 600 miljoonan dollarin ja 6 800 neliöjalan laitteistoksi. Hänen vertauksensa aivojen laskentakykyyn ja energiankulutukseen oli havainnollistus, ei yhtenäisellä mittarilla tehty osoitus ihmisaivojen suorituskyvyn ylittämisestä.

OI voisi tarjota uusia tapoja oppimiseen ja laskentaan. Vielä ei kuitenkaan ole osoitettu, että se olisi kaikissa tehtävissä nykyisiä tietokoneita nopeampi, älykkäämpi tai energiatehokkaampi. Vuoden 2023 tutkimusohjelma loi perustaa tuleville kokeille ja mahdollisille täydentäville teknologioille.

Yksi tutkimushaaste on kasvattaa suurempia ja toimintakykyisiä organoideja. Hartungin ryhmän tuolloin käyttämissä organoideissa oli noin 50 000 solua; tämä ei kuvaa kaikkia aivo-organoideja. Suuremmat järjestelmät tarvitsevat myös ravinteiden saannin, pitkäaikaisen elinkelpoisuuden sekä tietojen syöttämisen ja lukemisen ratkaisuja. Piipohjainen tekoäly voisi auttaa kehittämään ja analysoimaan näitä järjestelmiä.

Mahdollisia sovelluksia

Kuvitellaan vuoteen 2050 sijoittuva tulevaisuus, jossa OI:sta olisi kehittynyt käyttökelpoista teknologiaa. Tämä on ajatuskoe, ei ennuste sen valmistumisajasta. Millä aloilla biologiset laskentajärjestelmät ja niiden kehittämiseen liittyvä tutkimus voisivat lisätä ymmärrystämme?

Aivojen sairaudet ja kehitys

Aivo-organoidit voisivat auttaa tutkimaan esimerkiksi Alzheimerin taudin ja skitsofrenian mekanismeja sekä autismiin liittyvää hermoston kehitystä. Näitä erilaisia sairauksia ja kehityksellisiä piirteitä ei pidä rinnastaa yhdeksi aivovaurioksi.

Tutkimusmallit voisivat myös tukea lääkkeiden kehitystä ja vaikutusten arviointia. Kyse on mahdollisista tutkimussovelluksista, ei osoituksesta, että OI olisi jo tuottanut hoitoja näihin tiloihin.

Tiedon vastaanottaminen, tulkinta ja yhdistäminen

OI-tutkimus voisi lisätä ymmärrystä myös terveiden aivojen kehityksen ja toiminnan mekanismeista. Tutkimuskohteita ovat esimerkiksi se, miten ihmisaivot

• ottavat vastaan tietoa
• tulkitsevat tietoa
• yhdistävät uutta tietoa aiemmin opittuun

Näiden toimintojen parempi ymmärtäminen voisi auttaa kehittämään opetusta ja tukemaan oppimista eri elämänvaiheissa. Tällaiset hyödyt edellyttävät vielä tutkimusta.

Keskeisiä huolenaiheita

OI-tutkimuksessa muokataan ja tutkitaan laboratoriossa kasvatettuja hermosoluja. Siksi mahdollisten hyötyjen rinnalla on tarkasteltava tutkimuksen rajoja ja eettisiä kysymyksiä. Seuraavassa käsitellään kahta keskustelun aihetta.

Singulariteetti

Teknologinen singulariteetti tarkoittaa hypoteettista tilannetta, jossa tekoälyn kehitys kiihtyisi tavalla, jota ihmiset eivät enää pystyisi hallitsemaan tai ennustamaan. Ajatus siitä, että OI johtaisi tällaiseen tapahtumaan, on spekulatiivinen. Vuoteen 2050 sijoitettu kuvitelma ei osoita, että organoidit saavuttaisivat ihmisen älykkyyden tai tietoisuuden.

Singulariteettiin liitetään joskus myös ajatus koneiden itsetietoisuudesta. Ray Kurzweil käsitteli teknologian kiihtyvää kehitystä kirjassaan ‘The Singularity is Near’ ja ennakoi singulariteetin tapahtuvan noin vuonna 2045. Tämä on hänen ennusteensa, ei OI-tutkimuksen osoittama aikataulu.

Fiktiossa itsetietoinen teknologia kuvataan usein uhkaavana. Tällaiset tarinat heijastavat muutokseen ja hallintaan liittyviä huolia, mutta ne eivät ole näyttöä todellisten järjestelmien käyttäytymisestä.

Etiikka

Organoidien monimutkaistuessa on arvioitava jatkuvasti niiden eettistä asemaa, mahdollisia tuntoisuuden merkkejä ja kokeiden rajoja. Vuoden 2023 OI-ehdotuksessa korostettiin tutkijoiden, etiikan asiantuntijoiden ja yleisön osallistumista sekä solujen luovuttajien suostumuksen ja tietosuojan turvaamista. Pelkkä reagointi ärsykkeisiin ei tarkoita ihmisen kaltaista tietoisuutta.

Lopuksi

Vuonna 2023 OI oli muotoutuva monitieteinen tutkimusohjelma, ei valmis yleiskäyttöinen laskentateknologia. Sen mahdollisuudet aivojen tutkimuksessa ja uusissa laskentatavoissa olivat kiinnostavia, mutta tarvitsivat lisää kokeita, teknistä kehitystä ja eettistä arviointia.