Цифрова техніка трохи ближче до біології, ДНК та мозку

Ілон Маск запевняє, що найближчим часом людям вдасться створити повноцінний інтерфейс мозок-комп'ютер. А поки що ми час від часу дізнаємося про його експерименти над тваринами, спочатку над свинями, а останнім часом над мавпами. Думка про те, що Маск досягне свого і зможе вживити комунікаційний термінал у голову людини, одних зачаровує, інших лякає.

Він не лише працює над новим мускус. Вчені з Великобританії, Швейцарії, Німеччини та Італії нещодавно оголосили про результати проекту, що дозволило об'єднати штучні нейрони з природними (1). Все це робиться через Інтернет, який дозволяє біологічним та «кремнієвим» нейронам спілкуватися один з одним. Експеримент включав вирощування нейронів у щурів, які потім використовувалися для передачі сигналів. Лідер групи Стефано Вассанеллі повідомив, що вченим вперше вдалося показати, що штучні нейрони, розміщені на чіпі, можуть бути пов'язані з біологічними.

Дослідники хочуть скористатися штучні нейронні мережі відновити правильне функціонування пошкоджених ділянок мозку. Після впровадження у спеціальний імплант нейрони виступатимуть у ролі своєрідного протезу, який адаптуватиметься до природних умов роботи мозку. Докладніше про сам проект можна прочитати у статті у журналі Scientific Reports.

Facebook хоче проникнути у ваш мозок

Ті, хто боїться такої нової техніки, можуть мати рацію, особливо коли ми чуємо, що, наприклад, ми хотіли б обирати «зміст» свого мозку. На заході, проведеному в жовтні 2019 року підтримуваним Facebook дослідницьким центром Chan Zuckerberg BioHub, він розповів про сподівання створення портативних пристроїв, керованих мозком, які замінять мишу і клавіатуру. "Мета полягає в тому, щоб мати можливість керувати об'єктами у віртуальній або доповненій реальності своїми думками", - сказав Цукерберг, якого цитує CNBC. Facebook купив CTRL-labs, стартап, що розробляє системи інтерфейсу мозок-комп'ютер, майже за мільярд доларів.

Про роботу над інтерфейсом мозок-комп'ютер вперше було оголошено на конференції Facebook F8 у 2017 році. Згідно з довгостроковим планом компанії, одного разу неінвазивні пристрої, що носяться, дозволять користувачам писати слова, просто думаючи їх. Але цей вид технологій все ще знаходиться на дуже ранній стадії, тим більше, що ми говоримо про сенсорні, неінвазивні інтерфейси. «Їхня здатність переводити те, що відбувається в мозку, у рухову активність обмежена. Для більших можливостей потрібно щось вживити», - сказав Цукерберг на згаданій вище зустрічі.

Чи дозволять собі люди «щось імплантувати», щоб зв'язатися з людьми, відомими своїм нестримним апетитом. приватні дані з фейсбуку? (2) Можливо такі люди і знайдуться, особливо коли він пропонує скорочення статей, які вони не хочуть читати. У грудні 2020 року Facebook повідомив співробітникам, що працює над інструментом для узагальнення інформації, щоб користувачам не доводилося читати. На тій же зустрічі він представив подальші плани нейронного датчика для виявлення людських думок і перетворення їх у дії на веб-сайті.

2. Мозок та інтерфейси Facebook

З чого зробити мозкоефективні комп'ютери?

Ці проекти не є єдиними зусиллями, які будуть створені. Просте поєднання цих світів - не єдина мета, яка переслідується. Є, наприклад. нейроморфна інженерія, тренд, спрямований на відтворення можливостей машин людський мозок, наприклад, з погляду його енергоефективності.

Прогнозується, що до 2040 року глобальні енергетичні ресурси не зможуть задовольнити наші обчислювальні потреби, якщо ми дотримуватимемося кремнієвих технологій. Тому виникає гостра необхідність розробки нових систем, здатних обробляти дані швидше і, головне, енергоефективніше. Вченим давно відомо, що методи мімікрії можуть бути одним із способів досягнення цієї мети. людський мозок.

W кремнієві комп'ютери Різні функції виконують різні фізичні об'єкти, що збільшує час обробки та викликає величезні теплові втрати. Навпаки, нейрони в мозку можуть одночасно відправляти та отримувати інформацію по величезній мережі з напругою, вдесятеро меншою, ніж у наших передових комп'ютерів.

Головна перевага мозку перед його кремнієвими аналогами полягає в його здатності обробляти дані паралельно. Кожен з нейронів пов'язаний з тисячами інших, і всі вони можуть виступати як вхідні та вихідні дані для даних. Щоб мати можливість зберігати та обробляти інформацію, як це робимо ми, необхідно розробити фізичні матеріали, здатні швидко і плавно переходити зі стану провідності у стан непередбачуваності, як у випадку з нейронами. 

Декілька місяців тому в журналі «Матерія» була опублікована стаття про дослідження матеріалу з такими властивостями. Вчені Техаського університету A&M створили нанодроти зі складового символу β'-CuXV2O5, які демонструють здатність коливатись між станами провідності у відповідь на зміни температури, напруги та сили струму.

При найближчому розгляді було виявлено, що ця здатність обумовлена ​​рухом іонів міді по всьому β'-CuxV2O5, що змушує рух електронів і змінює провідні властивості матеріалу. Щоб керувати цим явищем, β'-CuxV2O5 генерується електричний імпульс, дуже схожий на той, який виникає, коли біологічні нейрони посилають сигнали один одному. Наш мозок функціонує, активуючи певні нейрони у ключові моменти часу в унікальній послідовності. Послідовність нейронних подій призводить до обробки інформації, чи це відтворення пам'яті або виконання фізичної активності. Схема з β'-CuxV2O5 працюватиме так само.

Жорсткий диск у ДНК

Ще один напрямок досліджень - це дослідження, засновані на біології. методи збереження даних. Одна з ідей, яку ми також багато разів описували у МТ, полягає в наступному. зберігання даних у ДНК, вважається перспективним, надзвичайно компактним та стабільним носієм інформації (3). Серед інших є рішення, що дозволяють зберігати дані у геномах живих клітин.

За оцінками, до 2025 року в усьому світі щодня проводитиметься майже п'ятсот ексабайт даних. Зберігання їх може стати непрактичним для використання традиційна кремнієва технологія. Щільність інформації в ДНК потенційно в мільйони разів вища, ніж у звичайних жорстких дисків. Підраховано, що один грам ДНК може містити до 215 млн. гігабайт. Він також дуже стабільний при правильному зберіганні. У 2017 році вчені витягли повний геном вимерлого виду коней, який жив 700 XNUMX років тому, а минулого року була прочитана ДНК мамонта, який жив мільйон років тому.

Основна складність полягає в тому, щоб знайти спосіб з'єднання цифровий світ i дані з біохімічним світом генів. В даний час йдеться про Синтез ДНК в лабораторії, і хоча витрати швидко падають, це, як і раніше, складне і дороге завдання. Після синтезу послідовності необхідно дбайливо зберігати in vitro доти, доки вони не будуть готові до повторного використання, або їх можна буде ввести в живі клітини за допомогою технології редагування генів CRISPR.

Дослідники Колумбійського університету продемонстрували новий підхід, що дозволяє здійснювати пряме перетворення цифрові електронні сигнали генетичні дані, що зберігаються в геномах живих клітин. "Уявіть собі стільникові жорсткі диски, які можуть виконувати обчислення та фізично реконфігуруватися в режимі реального часу", - сказав Harris Wang, один із членів команди, Singularity Hub. «Ми вважаємо, що першим кроком є ​​можливість кодувати двійкові дані в клітини без необхідності синтезу ДНК in vitro».

Робота заснована на стільниковому реєстраторі на основі CRISPR, який Ван раніше розроблений для бактерій E. coli, що виявляє наявність певних послідовностей ДНК усередині клітини та записує цей сигнал у геномі організму. Система має сенсорний модуль на основі ДНК, який реагує на певні біологічні сигнали. Ван та його колеги адаптували сенсорний модуль для роботи з біосенсором, розробленим іншою командою, який у свою чергу реагує на електричні сигнали. Зрештою, це дозволило дослідникам пряме кодування цифрової інформації у геномі бактерій. Обсяг даних, які може зберігати один осередок, досить малий, лише три біти.

Таким чином, вчені знайшли спосіб кодувати 24 окремі бактеріальні популяції за допомогою різних 3-бітних фрагментів даних одночасно всього 72 біти. Вони використовували його для кодування повідомлень Hello world! у бактеріях. і засвідчили, що, упорядкувавши об'єднану популяцію і використовуючи спеціально розроблений класифікатор, можуть прочитати повідомлення з точністю 98 відсотків. 

Очевидно, що 72 біти - це далеко від ємності. масове зберігання сучасні жорсткі диски. Проте вчені вважають, що рішення можна швидко масштабувати. Зберігання даних у осередках це, на думку вчених, набагато дешевше, ніж інші методи кодування в генахтому що ви можете просто виростити більше клітин замість займатися складним синтезом штучної ДНК. Клітини також мають природну здатність захищати ДНК від порушень навколишнього середовища. Вони продемонстрували це, додавши клітини кишкової палички в нестерилізований горщик, а потім надійно витягуючи з них все 52-бітове повідомлення шляхом секвенування пов'язаного мікробного співтовариства грунту. Вчені також почали розробляти ДНК клітин, щоб вони могли виконувати логічні операції та операції з пам'яттю.

4. Бачення трансгуманістичної сингулярності як наступного етапу еволюції

інтеграція комп'ютерний технік i телекомунікації він міцно пов'язані з уявленнями про трансгуманістичної «сингулярності», передбаченими та інші футуристами (4). Інтерфейси мозок-машина, синтетичні нейрони, зберігання геномних даних - усе це може розвиватися у цьому напрямі. Є лише одна проблема — це всі методики та експерименти на ранній стадії досліджень. Тож ті, хто боїться цього майбутнього, мають упокоїтися зі світом, а ентузіасти інтеграції людей з машинами мають охолонути.