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未来のコンピューターは人間の脳細胞で動く

人間の脳については、何十年にもわたる研究と科学の進歩にもかかわらず、その働きや、なぜそのような行動をとるのかについては、まだ分かっていないことが数多く存在する。

だが明らかなことの1つに、脳が非常にパワフルであり、エネルギー効率が格段に優れていることがある。コンピューターほど複雑な方程式を素早く解けないかも知れないが、学習と記憶の能力は格段に優れている。そんな、脳を相互にリンクさせ、効率的なバイオコンピュータとして利用するための計画が明らかになった。

米国のジョンズホプキンズ大学らによる学際的なグループは、このアイデアを「オルガノイド・インテリジェンス(OI)」と呼んでおり、『Frontiers in Science』誌に投稿された新たな「Organoid intelligence (OI): the new frontier in biocomputing and intelligence-in-a-dish」によって、このアイデアを実現するための計画とロードマップを概説している。

この論文で説明されているように、オルガノイド・インテリジェンス(OI)は、人間の脳細胞の3次元培養物(ヒト脳オルガノイド)とブレイン・マシン・インターフェース技術を用いたバイオ・コンピューティングを開発しようとする新しい分野だ。ヒト脳オルガノイドとは、実験用シャーレに入った小さな幹細胞の塊で、人間の脳の構造と機能を模倣した3D構造に加工されたものだ。実物大の器官よりも単純なもので、2013年、小頭症の研究のために初めて作られた。アルツハイマー病、パーキンソン病、ジカ熱などの病気の研究にも使われている。最近では、マウスにこのヒト脳オルガノイドを移植して、マウスが見ているものに反応させることにも成功している。

オルガノイドは、われわれの脳が情報を獲得し保存するのに必要な多くの細胞型を共有しているため、研究者らは、脳の塊は、コンパクトなニューロン接続に情報を保存する前に、エネルギーをあまり消費せずに素早く学習することが求められる計算タスクにユニークに適しているとしている。これらは本質的に生物学的ハードウェアとして機能し、いつの日かAIプログラムを実行する現在のコンピュータよりもさらに効率的になる可能性があるとのことだ。

ジョンズホプキンズ大学の環境健康科学教授で主任研究者のThomas Hartung氏はプレスリリースの中で、脳のその秘めたるパワーと効率性についてこう述べている。「最新のスーパーコンピューター『Frontier』は、6億ドルをかけて6,800平方フィートの広さで設置されたものです。しかし、昨年の6月に初めて、人間の脳一個分の計算能力を超えたばかりか、100万倍ものエネルギーを使っているのです。」

Hartung氏は、「我々は、小さなチップにこれ以上トランジスタを詰め込むことができないため、シリコンコンピュータの物理的限界に達しています。しかし、脳は全く異なる配線をしています。脳には約1000億のニューロンがあり、1015以上の接続点を通じてリンクしています。現在の技術に比べれば、莫大な力の差です。」と続ける。

「OI のビジョンは、生命科学、生物工学、およびコンピューター サイエンスの分野を前進させるために生物学的システムの力を利用することです。人間の脳が情報の処理や学習などでどれほど効率的に機能しているかを見ると、現在のコンピューターよりも高速かつ効率的に機能するシステムを構築するために、それを翻訳してモデル化したいという誘惑にかられます。」と、ジョンズホプキンズ大学の研究者で論文の著者であるLena Smirnova氏は、Viceのインタビューで語っている。

ヒトオルガノイドの研究は20年近く前から生物学の研究室で使われており、実際の人体実験や動物実験をせずに腎臓や肺の研究を行うことができるようになっている。しかし、人間の脳に独自の「知性」を持たせるというグレーゾーンの問題は、たとえ実験室で育てたものであっても、科学者と生命倫理学者の多様なコンソーシアムによる監視が必要だった。

人工知能と同様、倫理的な懸念があり、研究者もそれを認めている。OIが倫理的、社会的に対応できるように発展するために、彼らは「倫理学者、研究者、一般市民からなる学際的かつ代表的なチームが倫理的問題を特定、議論、分析し、それらを将来の研究と作業にフィードバックする」という「組み込み型倫理」アプローチを提案してる。

そして、その道のりは長い。ジョンズホプキンズ大学のチームの脳オルガノイドは、それぞれおよそ5万個の細胞からできており、神経系はミバエと同じ大きさである。これをハツカネズミ並みに賢い脳システムにまでスケールアップするには、何十年もかかるかもしれない。そして、人間の脳と同じようなコンピュータやホストメモリを動かすには、少なくとも1千万個の細胞の塊が必要である。

だが、この分野ではすでに有望な結果が得られている。10月には、オーストラリアのCortical Labs社の科学者が、皿の中で80万個の脳細胞を培養し、1970年代のアーケードゲーム『Pong』のプレイを学習させることに成功したと発表している

しかし、もしバイオコンピュータが実現したとして、1つの疑問が生まれる。人間の細胞から作られたコンピューターは、果たして意識を持つだろうか?そして、もし意識を獲得した場合、それは人間と何が違うのだろうか?


論文

参考文献

研究の要旨

最近のヒト幹細胞由来の脳オルガノイドの進歩により、学習と記憶の重要な分子的・細胞的側面や、おそらく認知の側面が試験管内で再現されることが期待されている。これらの開発を包括するために「オルガノイド・インテリジェンス(OI)」という言葉を作り、OIの学際的分野のビジョンを実現するための共同プログラムを提示する。これは、科学と生物工学の進歩を利用し、倫理的に責任のある方法で脳内オルガノイドを利用した真の生物学的コンピューティングの一形態として、OIを確立することを目的としている。標準化された3D有髄脳オルガノイドは、高い細胞密度を持ち、グリア細胞や学習に重要な遺伝子発現が濃縮された状態で製造できるようになった。マイクロ流体灌流システムの統合により、スケーラブルで耐久性のある培養と時空間的な化学シグナル伝達をサポートすることが出来る。新しい3次元微小電極アレイにより、高分解能の時空間電気生理学的シグナル伝達と記録が可能になり、学習と記憶形成の分子機構を再現する脳オルガノイドの能力、ひいてはその計算能力の可能性が探求可能となった。また、刺激応答訓練やオルガノイドとコンピュータのインターフェースを介して、新しいバイオコンピューティングモデルを実現する技術も開発中である。私たちは、脳内オルガノイドが実世界のセンサーや出力装置と接続され、最終的には互いの感覚器オルガノイド(網膜オルガノイドなど)と接続され、バイオフィードバック、ビッグデータウェアハウス、機械学習法を使って訓練される、複雑でネットワーク化したインターフェースを想像している。これと並行して、関連するすべてのステークホルダーが参加する反復的かつ協調的な方法で、起立耐性失調研究が提起する倫理的側面を分析するために、組み込み型倫理アプローチを重視する。この研究がもたらす多くの応用は、科学的学問としての OIの戦略的発展を促すものである。OIに基づくバイオコンピューティングシステムは、より迅速な意思決定、作業中の継続的な学習、エネルギーとデータの効率化を可能にすると予想される。さらに、「皿の中の知能」の開発は、壊滅的な発達障害や変性疾患(認知症など)の病態生理の解明に役立ち、世界的に大きなアンメットニーズに応える新しい治療法の特定に役立つ可能性がある。

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執筆者
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masapoco

TEXAL管理人。中学生の時にWindows95を使っていたくらいの年齢。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題が得意だが、テクノロジー関係の話題も大好き。最近は半導体関連に特に興味あり。アニメ・ゲーム・文学も好き。最近の推しは、アニメ『サマータイムレンダ』

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