Лічбавая тэхніка крыху бліжэй да біялогіі, ДНК і мозгу

Ілон Маск запэўнівае, што ў найбліжэйшай будучыні людзям атрымаецца стварыць паўнавартасны інтэрфейс мозг-кампутар. А пакуль мы час ад часу даведваемся пра яго эксперыменты над жывёламі, спачатку над свіннямі, а ў апошні час над малпамі. Думка аб тым, што Маск даможацца свайго і здолее ўжывіць камунікацыйны тэрмінал у галаву чалавека, адных зачароўвае, іншых палохае.

Ён не толькі працуе над новым мускус. Навукоўцы з Вялікабрытаніі, Швейцарыі, Нямеччыны і Італіі нядаўна абвясцілі аб выніках праекту, які дазволіў аб'яднаць штучныя нейроны з натуральнымі (1). Усё гэта робіцца праз Інтэрнэт, які дазваляе біялагічным і «крамянёвым» нейронам мець зносіны сябар з сябрам. Эксперымент уключаў вырошчванне нейронаў у пацукоў, якія затым выкарыстоўваліся для перадачы сігналаў. Лідэр групы Стэфана Вассанелі паведаміў, што навукоўцам упершыню ўдалося паказаць, што штучныя нейроны, размешчаныя на чыпе, могуць быць напрамую звязаны з біялагічнымі.

Даследчыкі хочуць скарыстацца штучныя нейронавыя сеткі аднавіць правільнае функцыянаванне пашкоджаных участкаў галаўнога мозга. Пасля ўкаранення ў спецыяльны імплант нейроны будуць выступаць у ролі своеасаблівага пратэза, які будзе адаптавацца да натуральных умоў працы мозгу. Больш падрабязна аб самім праекце можна прачытаць у артыкуле ў часопісе Scientific Reports.

Facebook хоча пракрасціся ў ваш мозг

Тыя, хто баіцца такой новай тэхнікі, могуць мець рацыю, асабліва калі мы чуем, што, напрыклад, мы хацелі б выбіраць «змест» свайго мозгу. На мерапрыемстве, праведзеным у кастрычніку 2019 года падтрымліваемым Facebook даследчым цэнтрам Chan Zuckerberg BioHub, ён распавёў аб надзеях на стварэнне партатыўных прылад, якія кіруюцца мозгам, якія заменяць мыш і клавіятуру. "Мэта складаецца ў тым, каб мець магчымасць кіраваць аб'ектамі ў віртуальнай або дапоўненай рэальнасці сваімі думкамі", – сказаў Цукерберг, якога цытуе CNBC. Facebook купіў CTRL-labs, стартап, які распрацоўвае сістэмы інтэрфейсу мозг-кампутар, амаль за мільярд даляраў.

Аб працы над інтэрфейсам мозг-кампутар упершыню было абвешчана на канферэнцыі Facebook F8 у 2017 годзе. Згодна з доўгатэрміновым планам кампаніі, аднойчы неінвазіўныя носныя прылады дазволяць карыстальнікам пісаць словы, проста думаючы іх. Але гэты від тэхналогій усё яшчэ знаходзіцца на вельмі ранняй стадыі, тым больш, што мы гаворым пра сэнсарныя, неінвазіўныя інтэрфейсы. «Іх здольнасць пераводзіць тое, што адбываецца ў мозгу, у рухальную актыўнасць абмежаваная. Для вялікіх магчымасцяў трэба нешта ўжывіць», - сказаў Цукерберг на вышэйзгаданай сустрэчы.

Ці дазволяць сабе людзі "нешта імплантаваць", каб звязацца з людзьмі, вядомымі сваім нястрымным апетытам да прыватныя дадзеныя з фэйсбука? (2) Магчыма такія людзі і знойдуцца, асабліва калі ён ім прапануе скарачэнні артыкулаў, якія яны не жадаюць чытаць. У снежні 2020 года Facebook паведаміў супрацоўнікам, што працуе над інструментам для абагульнення інфармацыі, каб карыстальнікам не даводзілася яе чытаць. На той жа сустрэчы ён прадставіў далейшыя планы па нейронавым датчыку для выяўлення чалавечых думак і пераўтварэнні іх у дзеянні на вэб-сайце.

2. Мозг і інтэрфейсы Facebook

З чаго зрабіць мозгаэфектыўныя кампутары?

Гэтыя праекты не адзіныя намаганні, якія будуць створаны. Простае злучэнне гэтых светаў - не адзіная мэта, якая пераследуецца. Ёсць, напрыклад. нейраморфная інжынерыя, трэнд, накіраваны на аднаўленне магчымасцяў машын чалавечы мозг, напрыклад, з пункту гледжання яго энергаэфектыўнасці.

Прагназуецца, што да 2040 года глабальныя энергетычныя рэсурсы не змогуць задаволіць нашы вылічальныя патрэбнасці, калі мы будзем прытрымлівацца крамянёвых тэхналогій. Таму ўзнікае вострая неабходнасць у распрацоўцы новых сістэм, здольных апрацоўваць дадзеныя хутчэй і, галоўнае, больш энергаэфектыўна. Навукоўцам даўно вядома, што метады мімікрыі могуць быць адным са спосабаў дасягнення гэтай мэты. чалавечы мозг.

W крамянёвыя кампутары розныя функцыі выконваюць розныя фізічныя аб'екты, што павялічвае час апрацоўкі і выклікае вялізныя цеплавыя страты. Наадварот, нейроны ў мозгу могуць адначасова адпраўляць і атрымліваць інфармацыю па велізарнай сетцы з напругай, у дзесяць разоў меншым, чым у нашых самых перадавых кампутараў.

Галоўная перавага мозгу перад яго крамянёвымі аналагамі заключаецца ў яго здольнасці апрацоўваць дадзеныя паралельна. Кожны з нейронаў звязаны з тысячамі іншых, і ўсе яны могуць выступаць у якасці ўваходных і выходных дадзеных для дадзеных. Каб мець магчымасць захоўваць і апрацоўваць інфармацыю, як гэта які робіцца мы, неабходна распрацаваць фізічныя матэрыялы, здольныя хутка і плыўна пераходзіць са стану праводнасці ў стан непрадказальнасці, як у выпадку з нейронамі. 

Некалькі месяцаў таму ў часопісе "Матэрыя" быў апублікаваны артыкул аб даследаванні матэрыялу з такімі ўласцівасцямі. Навукоўцы Тэхаскага ўніверсітэта A&M стварылі нанадроты са складовага знака β'-CuXV2O5, якія дэманструюць здольнасць вагацца паміж станамі праводнасці ў адказ на змены тэмпературы, напругі і сілы току.

Пры бліжэйшым разглядзе было выяўлена, што гэтая здольнасць абумоўлена рухам іёнаў медзі па ўсім β'-CuxV2O5, што прымушае рух электронаў і змяняе якія праводзяць уласцівасці матэрыялу. Каб кіраваць гэтай з'явай, у β'-CuxV2O5 генеруецца электрычны імпульс, вельмі падобны на той, які ўзнікае, калі біялагічныя нейроны пасылаюць сігналы адзін аднаму. Наш мозг функцыянуе, актывуючы пэўныя нейроны ў ключавыя моманты часу ва ўнікальнай паслядоўнасці. Паслядоўнасць нейронавых падзей прыводзіць да апрацоўкі інфармацыі, няхай гэта будзе прайграванне памяці або выкананне фізічнай актыўнасці. Схема з β'-CuxV2O5 будзе працаваць гэтак жа.

Жорсткая дыск у ДНК

Яшчэ адзін напрамак даследаванняў - гэта даследаванні, заснаваныя на біялогіі. метады захавання дадзеных. Адна з ідэй, якую мы таксама шмат разоў апісвалі ў МТ, заключаецца ў наступным. захоўванне дадзеных у ДНК, лічыцца перспектыўным, надзвычай кампактным і стабільным носьбітам інфармацыі (3). Сярод іншых ёсць рашэнні, якія дазваляюць захоўваць дадзеныя ў геному жывых клетак.

Паводле ацэнак, да 2025 года ва ўсім свеце будзе штодня вырабляцца амаль пяцьсот эксабайт дадзеных. Захоўванне іх можа хутка стаць непрактычным для выкарыстання традыцыйная крэмніевая тэхналогія. Шчыльнасць інфармацыі ў ДНК патэнцыйна ў мільёны разоў вышэй, чым у звычайных цвёрдых дыскаў. Падлічана, што адзін грам ДНК можа змяшчаць да 215 мільёнаў гігабайт. Ён таксама вельмі стабільны пры правільным захоўванні. У 2017 годзе навукоўцы вынялі поўны геном вымерлага віду коней, які жыў 700 XNUMX гадоў таму, а ў мінулым годзе была прачытаная ДНК маманта, які жыў мільён гадоў таму.

Асноўная складанасць складаецца ў тым, каб знайсці спосаб злучэнне лічбавы свет i дадзеныя з біяхімічным светам генаў. У цяперашні час размова ідзе аб Сінтэз ДНК у лабараторыі, і хоць выдаткі хутка падаюць, гэта па-ранейшаму складаная і дарагая задача. Пасля сінтэзу паслядоўнасці неабходна беражліва захоўваць in vitro датуль, пакуль яны не будуць гатовыя да паўторнага выкарыстання, ці іх можна будзе ўвесці ў жывыя клеткі з дапамогай тэхналогіі рэдагавання генаў CRISPR.

Даследчыкі Калумбійскага ўніверсітэта прадэманстравалі новы падыход, які дазваляе ажыццяўляць прамое пераўтварэнне лічбавыя электронныя сігналы у генетычныя дадзеныя, якія захоўваюцца ў геному жывых клетак. "Уявіце сабе сотавыя жорсткія дыскі, якія могуць выконваць вылічэнні і фізічна рэканфігуравацца ў рэжыме рэальнага часу", – сказаў Harris Wang, адзін з членаў каманды, Singularity Hub. "Мы лічым, што першым крокам з'яўляецца магчымасць напрамую кадзіраваць двайковыя дадзеныя ў клеткі без неабходнасці сінтэзу ДНК in vitro".

Праца заснавана на сотавым рэгістратары на аснове CRISPR, які ван раней распрацаваны для бактэрый E. coli, які выяўляе наяўнасць пэўных паслядоўнасцяў ДНК ўнутры клеткі і які запісвае гэты сігнал у геноме арганізма. Сістэма мае "сэнсарны модуль" на аснове ДНК, які рэагуе на пэўныя біялагічныя сігналы. Ван і яго калегі адаптавалі сэнсарны модуль для працы з біясенсарам, распрацаваным іншай камандай, які, у сваю чаргу, рэагуе на электрычныя сігналы. У канчатковым выніку гэта дазволіла даследчыкам прамое кадаваньне лічбавай інфармацыі ў геноме бактэрый. Аб'ём дадзеных, якія можа захоўваць адно вочка, даволі малы, усяго тры біта.

Такім чынам, навукоўцы знайшлі спосаб кадзіраваць 24 асобныя бактэрыяльныя папуляцыі з дапамогай розных 3-бітных фрагментаў дадзеных адначасова, усяго 72 біта. Яны выкарыстоўвалі яго для кадавання паведамленняў "Hello world!" у бактэрыях. і паказалі, што, спарадкаваўшы аб'яднаную папуляцыю і выкарыстоўваючы спецыяльна распрацаваны класіфікатар, яны могуць прачытаць паведамленне з дакладнасцю 98 працэнтаў. 

Відавочна, што 72 біта - гэта далёка ад ёмістасці. масавае захоўванне сучасныя жорсткія дыскі. Аднак вучоныя лічаць, што рашэнне можна хутка маштабаваць. Захоўванне дадзеных у ячэйках гэта, на думку навукоўцаў, нашмат танней, чым іншыя метады кадаваньне ў генахтаму што вы можаце проста выгадаваць больш клетак замест таго, каб займацца складаным сінтэзам штучнай ДНК. Клеткі таксама валодаюць натуральнай здольнасцю абараняць ДНК ад парушэнняў навакольнага асяроддзя. Яны прадэманстравалі гэта, дадаўшы клеткі кішачнай палачкі ў нестэрылізаваную гаршковую глебу, а затым надзейна здабываючы з іх усё 52-бітнае паведамленне шляхам секвеніравання звязанай мікробнай супольнасці глебы. Навукоўцы таксама пачалі распрацоўваць ДНК клетак, каб яны маглі выконваць лагічныя аперацыі і аперацыі з памяццю.

4. Бачанне трансгуманістычнай сінгулярнасці як наступнага этапу эвалюцыі

інтэграцыя камп'ютарны тэхнік i тэлекамунікацыі ён трывала звязаны з паданнямі аб трансгуманістычнай «сінгулярнасці», прадказанымі і іншымі футурыстамі (4). Інтэрфейсы мозг-машына, сінтэтычныя нейроны, захоўванне геномных дадзеных – усё гэта можа развівацца ў гэтым кірунку. Ёсць толькі адна праблема - гэта ўсё методыкі і эксперыменты на самай ранняй стадыі даследаванняў. Так што тыя, хто баіцца гэтай будучыні, павінны супакоіцца са светам, а энтузіясты інтэграцыі людзей з машынамі павінны астыць.