Η ψηφιακή τεχνολογία είναι λίγο πιο κοντά στη βιολογία, το DNA και τον εγκέφαλο

Ο Έλον Μασκ διαβεβαιώνει ότι στο εγγύς μέλλον οι άνθρωποι θα μπορούν να δημιουργήσουν μια ολοκληρωμένη διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή. Στο μεταξύ, ακούμε κατά καιρούς για τα πειράματά του σε ζώα, πρώτα σε γουρούνια και πιο πρόσφατα σε πιθήκους. Η ιδέα ότι ο Μασκ θα βρει το δρόμο του και θα μπορέσει να εμφυτεύσει ένα τερματικό επικοινωνίας στο κεφάλι ενός ατόμου, κάποιους συναρπάζει, άλλους τρομάζει.

Δεν εργάζεται μόνο σε ένα νέο Μόσχος. Επιστήμονες από το Ηνωμένο Βασίλειο, την Ελβετία, τη Γερμανία και την Ιταλία ανακοίνωσαν πρόσφατα τα αποτελέσματα ενός έργου που συνδύασε τεχνητούς νευρώνες με φυσικούς (1). Όλα αυτά γίνονται μέσω του Διαδικτύου, το οποίο επιτρέπει στους βιολογικούς και τους νευρώνες «πυριτίου» να επικοινωνούν μεταξύ τους. Το πείραμα αφορούσε την ανάπτυξη νευρώνων σε αρουραίους, οι οποίοι στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για σηματοδότηση. Αρχηγός ομάδας Στέφανο Βασσανέλι ανέφεραν ότι οι επιστήμονες κατάφεραν για πρώτη φορά να δείξουν ότι οι τεχνητοί νευρώνες που τοποθετούνται σε ένα τσιπ μπορούν να συνδεθούν άμεσα με βιολογικούς.

Οι ερευνητές θέλουν να επωφεληθούν τεχνητά νευρωνικά δίκτυα αποκαταστήσει την καλή λειτουργία των κατεστραμμένων περιοχών του εγκεφάλου. Μόλις εμφυτευθούν σε ένα ειδικό εμφύτευμα, οι νευρώνες θα λειτουργήσουν ως ένα είδος πρόσθεσης που θα προσαρμοστεί στις φυσικές συνθήκες του εγκεφάλου. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για το ίδιο το έργο σε ένα άρθρο στο Scientific Reports.

Το Facebook θέλει να μπει στον εγκέφαλό σας

Όσοι φοβούνται μια τέτοια νέα τεχνολογία μπορεί να έχουν δίκιο, ειδικά όταν ακούμε ότι, για παράδειγμα, θα θέλαμε να επιλέξουμε το «περιεχόμενο» του εγκεφάλου μας. Σε μια εκδήλωση που πραγματοποιήθηκε τον Οκτώβριο του 2019 από το ερευνητικό κέντρο Chan Zuckerberg BioHub που υποστηρίζεται από το Facebook, μίλησε για ελπίδες για συσκευές χειρός ελεγχόμενες από τον εγκέφαλο που θα αντικαταστήσουν το ποντίκι και το πληκτρολόγιο. «Ο στόχος είναι να μπορείτε να ελέγχετε αντικείμενα σε εικονική ή επαυξημένη πραγματικότητα με τις σκέψεις σας», είπε ο Ζάκερμπεργκ, σύμφωνα με το CNBC. Το Facebook αγόρασε τα CTRL-labs, μια startup που αναπτύσσει συστήματα διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή, για σχεδόν ένα δισεκατομμύριο δολάρια.

Η εργασία στη διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή ανακοινώθηκε για πρώτη φορά στο συνέδριο Facebook F8 το 2017. Σύμφωνα με το μακροπρόθεσμο σχέδιο της εταιρείας, μια μέρα οι μη επεμβατικές φορητές συσκευές θα το επιτρέψουν στους χρήστες γράψτε λέξεις μόνο με το να τις σκεφτείτε. Αλλά αυτού του είδους η τεχνολογία βρίσκεται ακόμα σε πολύ πρώιμο στάδιο, ειδικά επειδή μιλάμε για αφής, μη επεμβατικές διεπαφές. «Η ικανότητά τους να μεταφράζουν αυτό που συμβαίνει στον εγκέφαλο σε κινητική δραστηριότητα είναι περιορισμένη. Για μεγάλες ευκαιρίες, κάτι πρέπει να εμφυτευτεί», είπε ο Ζάκερμπεργκ στην προαναφερθείσα συνάντηση.

Θα επιτρέψουν οι άνθρωποι στον εαυτό τους να «εμφυτεύσουν κάτι» για να συνδεθούν με άτομα που είναι γνωστά για την αχαλίνωτη όρεξή τους; προσωπικά δεδομένα από το facebook? (2) Ίσως βρεθούν τέτοιοι άνθρωποι, ειδικά όταν τους προσφέρει περικοπές άρθρων που δεν θέλουν να διαβάσουν. Τον Δεκέμβριο του 2020, το Facebook είπε στους υπαλλήλους ότι εργαζόταν σε ένα εργαλείο για τη σύνοψη των πληροφοριών, ώστε οι χρήστες να μην χρειάζεται να τις διαβάσουν. Στην ίδια συνάντηση, παρουσίασε περαιτέρω σχέδια για έναν νευρωνικό αισθητήρα που θα ανιχνεύει τις ανθρώπινες σκέψεις και θα τις μεταφράζει σε ενέργειες στον ιστότοπο.

2. Ο εγκέφαλος και οι διεπαφές του Facebook

Από τι είναι κατασκευασμένοι οι υπολογιστές με αποδοτικότητα εγκεφάλου;

Αυτά τα έργα δεν είναι οι μόνες προσπάθειες που πρέπει να δημιουργηθούν. Η απλή σύνδεση αυτών των κόσμων δεν είναι ο μόνος επιδιωκόμενος στόχος. Υπάρχουν για παράδειγμα. νευρομορφική μηχανική, μια τάση που στοχεύει στην αναδημιουργία των δυνατοτήτων των μηχανών ανθρώπινος εγκέφαλος, για παράδειγμα, όσον αφορά την ενεργειακή του απόδοση.

Προβλέπεται ότι έως το 2040, οι παγκόσμιοι ενεργειακοί πόροι δεν θα είναι σε θέση να καλύψουν τις υπολογιστικές μας ανάγκες, εάν παραμείνουμε στις τεχνολογίες πυριτίου. Ως εκ τούτου, υπάρχει επείγουσα ανάγκη ανάπτυξης νέων συστημάτων που θα μπορούν να επεξεργάζονται δεδομένα ταχύτερα και, κυρίως, πιο ενεργειακά αποδοτικά. Οι επιστήμονες γνώριζαν από καιρό ότι οι τεχνικές μίμησης μπορεί να είναι ένας τρόπος για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος. ανθρώπινος εγκέφαλος.

W υπολογιστές πυριτίου διαφορετικές λειτουργίες εκτελούνται από διαφορετικά φυσικά αντικείμενα, γεγονός που αυξάνει τον χρόνο επεξεργασίας και προκαλεί τεράστιες απώλειες θερμότητας. Αντίθετα, οι νευρώνες στον εγκέφαλο μπορούν ταυτόχρονα να στέλνουν και να λαμβάνουν πληροφορίες μέσω ενός τεράστιου δικτύου με δεκαπλάσια τάση από τους πιο προηγμένους υπολογιστές μας.

Το κύριο πλεονέκτημα του εγκεφάλου έναντι του αντίστοιχου πυριτίου είναι η ικανότητά του να επεξεργάζεται δεδομένα παράλληλα. Καθένας από τους νευρώνες συνδέεται με χιλιάδες άλλους και όλοι τους μπορούν να λειτουργήσουν ως είσοδοι και έξοδοι δεδομένων. Για να μπορούμε να αποθηκεύουμε και να επεξεργαζόμαστε πληροφορίες, όπως κάνουμε, είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν φυσικά υλικά που μπορούν γρήγορα και ομαλά να μεταβούν από μια κατάσταση αγωγιμότητας σε μια κατάσταση απρόβλεπτης, όπως συμβαίνει με τους νευρώνες. 

Πριν από λίγους μήνες δημοσιεύτηκε ένα άρθρο στο περιοδικό Matter σχετικά με τη μελέτη ενός υλικού με τέτοιες ιδιότητες. Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο A&M του Τέξας δημιούργησαν νανοσύρματα από το σύμβολο της ένωσης β'-CuXV2O5 που αποδεικνύουν την ικανότητα να ταλαντώνονται μεταξύ των καταστάσεων αγωγιμότητας ως απόκριση σε αλλαγές στη θερμοκρασία, την τάση και το ρεύμα.

Μετά από πιο προσεκτική εξέταση, διαπιστώθηκε ότι αυτή η ικανότητα οφείλεται στην κίνηση των ιόντων χαλκού σε όλο το β'-CuxV2O5, η οποία προκαλεί κίνηση ηλεκτρονίων και αλλάζει τις αγώγιμες ιδιότητες του υλικού. Για τον έλεγχο αυτού του φαινομένου, δημιουργείται μια ηλεκτρική ώθηση στο β'-CuxV2O5, πολύ παρόμοια με αυτή που συμβαίνει όταν οι βιολογικοί νευρώνες στέλνουν σήματα ο ένας στον άλλο. Ο εγκέφαλός μας λειτουργεί πυροδοτώντας ορισμένους νευρώνες σε βασικές στιγμές με μια μοναδική ακολουθία. Μια αλληλουχία νευρωνικών γεγονότων οδηγεί στην επεξεργασία πληροφοριών, είτε πρόκειται για ανάκληση μνήμης είτε για εκτέλεση σωματικής δραστηριότητας. Το σχήμα με το β'-CuxV2O5 θα λειτουργήσει με τον ίδιο τρόπο.

Σκληρός δίσκος στο DNA

Ένας άλλος τομέας έρευνας είναι η έρευνα που βασίζεται στη βιολογία. μεθόδους αποθήκευσης δεδομένων. Μία από τις ιδέες, που έχουμε περιγράψει επίσης πολλές φορές στο ΜΤ, είναι η εξής. αποθήκευση δεδομένων στο DNA, θεωρείται ένα πολλά υποσχόμενο, εξαιρετικά συμπαγές και σταθερό μέσο αποθήκευσης (3). Μεταξύ άλλων, υπάρχουν λύσεις που επιτρέπουν την αποθήκευση δεδομένων στα γονιδιώματα των ζωντανών κυττάρων.

Μέχρι το 2025, υπολογίζεται ότι σχεδόν πεντακόσια exabyte δεδομένων θα παράγονται καθημερινά παγκοσμίως. Η αποθήκευσή τους μπορεί γρήγορα να καταστεί μη πρακτική στη χρήση. παραδοσιακή τεχνολογία πυριτίου. Η πυκνότητα πληροφοριών στο DNA είναι δυνητικά εκατομμύρια φορές υψηλότερη από αυτή των συμβατικών σκληρών δίσκων. Υπολογίζεται ότι ένα γραμμάριο DNA μπορεί να περιέχει έως και 215 εκατομμύρια gigabyte. Είναι επίσης πολύ σταθερό όταν αποθηκεύεται σωστά. Το 2017, οι επιστήμονες εξήγαγαν το πλήρες γονιδίωμα ενός εξαφανισμένου είδους αλόγων που ζούσε πριν από 700 χρόνια και πέρυσι, διαβάστηκε το DNA από ένα μαμούθ που έζησε πριν από ένα εκατομμύριο χρόνια.

Η κύρια δυσκολία είναι να βρεις έναν τρόπο χημική ένωση ψηφιακός κόσμος i δεδομένα με τον βιοχημικό κόσμο των γονιδίων. Αυτή τη στιγμή πρόκειται για σύνθεση DNA στο εργαστήριο, και παρόλο που το κόστος μειώνεται γρήγορα, εξακολουθεί να είναι ένα δύσκολο και δαπανηρό έργο. Αφού συντεθούν, οι αλληλουχίες πρέπει να αποθηκευτούν προσεκτικά in vitro έως ότου είναι έτοιμες για επαναχρησιμοποίηση ή μπορούν να εισαχθούν σε ζωντανά κύτταρα χρησιμοποιώντας την τεχνολογία επεξεργασίας γονιδίων CRISPR.

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Κολούμπια έχουν επιδείξει μια νέα προσέγγιση που επιτρέπει την άμεση μετατροπή ψηφιακά ηλεκτρονικά σήματα στα γενετικά δεδομένα που είναι αποθηκευμένα στα γονιδιώματα των ζωντανών κυττάρων. «Φανταστείτε κυψελοειδείς σκληρούς δίσκους που μπορούν να υπολογίσουν και να αναδιαμορφωθούν φυσικά σε πραγματικό χρόνο», είπε ο Χάρις Γουάνγκ, ένα από τα μέλη της ομάδας του Singularity Hub. «Πιστεύουμε ότι το πρώτο βήμα είναι να μπορούμε να κωδικοποιήσουμε απευθείας δυαδικά δεδομένα σε κύτταρα χωρίς την ανάγκη για in vitro σύνθεση DNA».

Η εργασία βασίζεται σε μια συσκευή εγγραφής κυττάρων που βασίζεται σε CRISPR, η οποία Γουάνγκ που αναπτύχθηκε προηγουμένως για βακτήρια E. coli, το οποίο ανιχνεύει την παρουσία ορισμένων αλληλουχιών DNA μέσα στο κύτταρο και καταγράφει αυτό το σήμα στο γονιδίωμα του οργανισμού. Το σύστημα διαθέτει μια «μονάδα αισθητήρα» που βασίζεται σε DNA που ανταποκρίνεται σε ορισμένα βιολογικά σήματα. Ο Wang και οι συνεργάτες του προσάρμοσαν τη μονάδα αισθητήρα ώστε να λειτουργεί με έναν βιοαισθητήρα που αναπτύχθηκε από άλλη ομάδα, ο οποίος με τη σειρά του αποκρίνεται σε ηλεκτρικά σήματα. Τελικά, αυτό επέτρεψε στους ερευνητές άμεση κωδικοποίηση ψηφιακών πληροφοριών στο βακτηριακό γονιδίωμα. Ο όγκος των δεδομένων που μπορεί να αποθηκεύσει ένα κελί είναι αρκετά μικρός, μόνο τρία bit.

Έτσι, οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να κωδικοποιήσουν 24 διαφορετικούς βακτηριακούς πληθυσμούς με διαφορετικά κομμάτια δεδομένων 3 bit ταυτόχρονα, για συνολικά 72 bit. Το χρησιμοποίησαν για να κωδικοποιήσουν μηνύματα "Hello world!". σε βακτήρια. και έδειξαν ότι παραγγέλνοντας τον συγκεντρωμένο πληθυσμό και χρησιμοποιώντας έναν ειδικά σχεδιασμένο ταξινομητή, μπορούσαν να διαβάσουν το μήνυμα με 98 τοις εκατό ακρίβεια. 

Προφανώς, τα 72 bit απέχουν πολύ από τη χωρητικότητα. μαζική αποθήκευση σύγχρονους σκληρούς δίσκους. Ωστόσο, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η λύση μπορεί να κλιμακωθεί γρήγορα. Αποθήκευση δεδομένων σε κελιά είναι, σύμφωνα με τους επιστήμονες, πολύ φθηνότερο από άλλες μεθόδους κωδικοποίηση στα γονίδιαγιατί μπορείτε απλώς να αναπτύξετε περισσότερα κύτταρα αντί να περάσετε από περίπλοκη τεχνητή σύνθεση DNA. Τα κύτταρα έχουν επίσης μια φυσική ικανότητα να προστατεύουν το DNA από περιβαλλοντικές βλάβες. Το απέδειξαν προσθέτοντας κύτταρα E. coli σε μη αποστειρωμένο χώμα γλάστρας και στη συνέχεια εξάγοντας με αξιοπιστία ολόκληρο το μήνυμα των 52 bit από αυτά, προσδιορίζοντας την αλληλουχία της σχετικής μικροβιακής κοινότητας του εδάφους. Οι επιστήμονες έχουν επίσης αρχίσει να σχεδιάζουν το DNA των κυττάρων έτσι ώστε να μπορούν να εκτελούν λογικές λειτουργίες και λειτουργίες μνήμης.

4. Όραμα της διανθρωπιστικής μοναδικότητας ως το επόμενο στάδιο της εξέλιξης

ενσωμάτωση τεχνικός υπολογιστών i τηλεπικοινωνίες συνδέεται στενά με τις έννοιες μιας υπερανθρωπιστικής «ιδιαιτερότητας» που προβλέπεται και από άλλους μελλοντολόγους (4). Διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής, συνθετικοί νευρώνες, αποθήκευση γονιδιωματικών δεδομένων - όλα αυτά μπορούν να αναπτυχθούν προς αυτή την κατεύθυνση. Υπάρχει μόνο ένα πρόβλημα - αυτές είναι όλες οι μέθοδοι και τα πειράματα στο πολύ πρώιμο στάδιο της έρευνας. Έτσι, όσοι φοβούνται αυτό το μέλλον θα πρέπει να αναπαυθούν εν ειρήνη και οι λάτρεις της ολοκλήρωσης ανθρώπου-μηχανής πρέπει να δροσιστούν.