До полноценного биокомпьютера остался один шаг
«Термин "инжиниринг" все увереннее используется в отношении генов и белков (протеинов), живых клеток. Биоинжиниринг подразумевает создание новых вакцин и терапевтических наночастиц, а также методов реализации потенциала стволовых клеток и органоидов. Эти органоиды как раз и получают из клеток различных органов и тканей. Уже существуют образцы многоэлектродных плат, которые вводятся под кости черепа для позиционирования (определения локализации) эпилептических очагов с целью более эффективного воздействия на них. Чаще всего это делается в диагностических целях и не подразумевает долговременной "эксплуатации". Все же золотые и серебряные электроды пока несовместимы с нежными нервными клетками, поэтому должны удаляться», – пишет Игорь Лалаянц на сайте «Независимой газеты».
Когда-то электрод представлял из себя плоскую платину. Потом появились проволочные, которые вводились в мозговую ткань для регистрации нейрональной активности. Но техника совершенствовалась и миниатюризировалась. Появились культуры тканей – сначала 2D, а затем и 3D.
Нобелевскую премию за использование электродов для выявления механизма распространения нервного импульса с помощью ионных токов вручили еще 60 лет назад. Можно сказать, с того момента и родилась идея создания биокомпьютера, роль процессоров в котором выполняли бы нейроны. Дело в том, что нейроны используют для связи с другими клетками электрические импульсы. От тела нервной клетки сигнал уходит к синапсу – точке нейрональных контактов, – где выделяет в синаптическую щель глютаминовую аминокислоту или гамма-аминомасляную (ГАМК). Оба вещества имеют определенный заряд, который можно использовать в сочетании с металлическими электродами компьютерных плат. Тем самым создается интерфейс живой ткани с косной металлической.
До 2006 года это было лишь в теории. Но японец Синъя Яманака доказал, что с помощью переноса в клетки взрослого организма четырех генов их можно сделать чуть ли не эмбриональными: они дают все клеточное разнообразие органов и тканей. Отсюда и их название – плюропотентные. За это достижение японцу чуть ли не сразу же дали Нобелевскую премию, и весь мир включился в клеточно-инжиниринговую гонку.
Из стволовых плюропотентных клеток стали получать культуры тканей, а затем и сфероиды. В конце концов научились делать органоиды не только здоровых, но и больных тканей. Проблема состояла в том, что клетки очень разнообразны по своему геному и его активности. И это затрудняет получение «чистого» материала. Эту задачу удалось решить исследователям из университета города Дарэм, что в штате Северная Каролина (США). Биоинженеры сумели «рассадить» стволовые клетки «квадратно-гнездовым» способом по отдельным «фиалам» (vials). (Нечто подобное можно видеть на примере горшочков, в которых выращивается салат.) Это упростило получение чистых линий стволовых клеток и позволило автоматизировать процесс.
Результатом биоинжиниринга стало создание в университете Гопкинса в г. Балтиморе (США) первого вполне функционального биокомпьютера. Роль процессора выполняет как раз созданный органоид с нейронами. Авторы статьи в приложении журнала Nature отмечают, что их гибридное детище с точностью 78 % распознало голос одного из восьми человек.
Такого рода устройства могут использоваться для изучения молекулярных механизмов развития нейродегенеративных болезней (Альцгеймера, Паркинсона). Но для решения более объемных задач требуются гораздо большие «мозги». А выращиванию их сегодня мешает необходимость поддержания их жизнеспособности, ведь «кормить» клетки надо в режиме 24/7. С другой стороны, в будущем можно ожидать замену нынешних силиконовых нейросетей ONN, то есть органоидными NeuroNets. Обучение нейронов органоида осуществляли с помощью прямоугольных стимулирующих импульсов напряжения. В результате чего и достигнут эффект «запоминания» характерных особенностей голоса одного из восьми добровольцев.
Авторы работы утверждают, что органоид полностью имитирует принципы, положенные в основу электронных устройств. При этом они использовали систему искусственного интеллекта, требующую наличия адаптивного резервуара накапливаемой информации. Результат обработки этой информации затем перенаправляется органоидом на компьютерный чип. В частности, была получена такая важная функция, как нелинейное угасание памяти, без которого затрудняется анализ последующих стимулов. Интересно, что обучение нейронного органоида изменяло форму его функциональной связи с электродами мультиэлектродной платы (МЕА, MultiElectrode Array).
Детали получения нейронных органоидов свидетельствуют о том, что они выращивались в течение 203 месяцев, в результате «набирали» около 100 млн нервных клеток. Это неизмеримо мало по сравнению с 80–100 млрд нейронов в мозге человека. И все-таки, по некоторым оценкам, к 2048 году биокомпьютеры станут реальностью и по своей производительности будут конкурировать с квантовыми.
В иллюстрации использовано изображение автора Flatart (CCBY3.0) с сайта https://thenounproject.com/ и фото с сайта https://unsplash.com/
Когда-то электрод представлял из себя плоскую платину. Потом появились проволочные, которые вводились в мозговую ткань для регистрации нейрональной активности. Но техника совершенствовалась и миниатюризировалась. Появились культуры тканей – сначала 2D, а затем и 3D.
Нобелевскую премию за использование электродов для выявления механизма распространения нервного импульса с помощью ионных токов вручили еще 60 лет назад. Можно сказать, с того момента и родилась идея создания биокомпьютера, роль процессоров в котором выполняли бы нейроны. Дело в том, что нейроны используют для связи с другими клетками электрические импульсы. От тела нервной клетки сигнал уходит к синапсу – точке нейрональных контактов, – где выделяет в синаптическую щель глютаминовую аминокислоту или гамма-аминомасляную (ГАМК). Оба вещества имеют определенный заряд, который можно использовать в сочетании с металлическими электродами компьютерных плат. Тем самым создается интерфейс живой ткани с косной металлической.
До 2006 года это было лишь в теории. Но японец Синъя Яманака доказал, что с помощью переноса в клетки взрослого организма четырех генов их можно сделать чуть ли не эмбриональными: они дают все клеточное разнообразие органов и тканей. Отсюда и их название – плюропотентные. За это достижение японцу чуть ли не сразу же дали Нобелевскую премию, и весь мир включился в клеточно-инжиниринговую гонку.
Из стволовых плюропотентных клеток стали получать культуры тканей, а затем и сфероиды. В конце концов научились делать органоиды не только здоровых, но и больных тканей. Проблема состояла в том, что клетки очень разнообразны по своему геному и его активности. И это затрудняет получение «чистого» материала. Эту задачу удалось решить исследователям из университета города Дарэм, что в штате Северная Каролина (США). Биоинженеры сумели «рассадить» стволовые клетки «квадратно-гнездовым» способом по отдельным «фиалам» (vials). (Нечто подобное можно видеть на примере горшочков, в которых выращивается салат.) Это упростило получение чистых линий стволовых клеток и позволило автоматизировать процесс.
Результатом биоинжиниринга стало создание в университете Гопкинса в г. Балтиморе (США) первого вполне функционального биокомпьютера. Роль процессора выполняет как раз созданный органоид с нейронами. Авторы статьи в приложении журнала Nature отмечают, что их гибридное детище с точностью 78 % распознало голос одного из восьми человек.
Такого рода устройства могут использоваться для изучения молекулярных механизмов развития нейродегенеративных болезней (Альцгеймера, Паркинсона). Но для решения более объемных задач требуются гораздо большие «мозги». А выращиванию их сегодня мешает необходимость поддержания их жизнеспособности, ведь «кормить» клетки надо в режиме 24/7. С другой стороны, в будущем можно ожидать замену нынешних силиконовых нейросетей ONN, то есть органоидными NeuroNets. Обучение нейронов органоида осуществляли с помощью прямоугольных стимулирующих импульсов напряжения. В результате чего и достигнут эффект «запоминания» характерных особенностей голоса одного из восьми добровольцев.
Авторы работы утверждают, что органоид полностью имитирует принципы, положенные в основу электронных устройств. При этом они использовали систему искусственного интеллекта, требующую наличия адаптивного резервуара накапливаемой информации. Результат обработки этой информации затем перенаправляется органоидом на компьютерный чип. В частности, была получена такая важная функция, как нелинейное угасание памяти, без которого затрудняется анализ последующих стимулов. Интересно, что обучение нейронного органоида изменяло форму его функциональной связи с электродами мультиэлектродной платы (МЕА, MultiElectrode Array).
Детали получения нейронных органоидов свидетельствуют о том, что они выращивались в течение 203 месяцев, в результате «набирали» около 100 млн нервных клеток. Это неизмеримо мало по сравнению с 80–100 млрд нейронов в мозге человека. И все-таки, по некоторым оценкам, к 2048 году биокомпьютеры станут реальностью и по своей производительности будут конкурировать с квантовыми.
В иллюстрации использовано изображение автора Flatart (CCBY3.0) с сайта https://thenounproject.com/ и фото с сайта https://unsplash.com/
02.03.2024
Важное
NASA отправит на Луну более 20 роботизированных миссий, чтобы испытать технологии будущей базы до прибытия людей.
15.08.2026 13:00:00
KING Art Games отложила выход Dawn of War IV до декабря 2026 года. Вместе с новой датой релиза студия представила обновлённый план поддержки стратегии.
15.08.2026 09:00:00
Другие Статьи
NASA отправит на Луну более 20 роботизированных миссий, чтобы испытать технологии будущей базы до прибытия людей.
Исследователи обнаружили точное местоположение лондонского дома Шекспира, который считался утерянным более 400 лет, благодаря случайно найденной архивной карте.
Противостояние США и Китая вступает в новый этап. Сможет ли Вашингтон сдержать Пекин, возможен ли военный конфликт и какую сторону выберут страны Глобального Юга.
Глобальная рождаемость стремительно падает, население стареет, а демографический кризис становится одной из главных угроз XXI века. Почему богатые страны теряют население, способны ли технологии и меры поддержки изменить ситуацию и каким будет мир после пика численности человечества.