“Organic Intelligence” – biokomputer revolusioner yang digerakkan oleh sel otak manusia

Para ilmuwan berkolaborasi di berbagai bidang untuk membuat biokomputer yang menggunakan kultur 3D sel otak, yang disebut organoid otak, sebagai biokomputer. Mereka memaparkan rencana mereka untuk mencapai tujuan ini dalam jurnal ilmiah perbatasan dalam ilmu pengetahuan.

Terlepas dari rekam jejak AI yang mengesankan, kekuatan komputasinya tidak ada artinya jika dibandingkan dengan otak manusia. Sekarang, para ilmuwan mengungkapkan jalan revolusioner untuk memajukan komputasi: kecerdasan organoid, di mana organoid otak yang tumbuh di laboratorium bertindak sebagai perangkat biologis.

Kecerdasan buatan selalu terinspirasi oleh otak manusia. Pendekatan ini terbukti sangat sukses: AI menikmati prestasi yang mengesankan—mulai dari mendiagnosis kondisi medis hingga menulis puisi. Namun, model aslinya terus mengungguli mesin dalam banyak hal. Inilah sebabnya, misalnya, kita dapat “membuktikan kemanusiaan kita” dengan kuis foto online yang sepele. Bagaimana jika kita langsung ke sumbernya alih-alih mencoba menjadikan AI lebih seperti otak?

Para ilmuwan dari berbagai disiplin ilmu bekerja untuk menciptakan biokomputer revolusioner di mana kultur 3D sel otak, yang disebut organoid otak, bertindak sebagai perangkat biologis. Mereka menggambarkan peta jalan mereka untuk mencapai visi ini di jurnal perbatasan dalam ilmu pengetahuan.

Gambar yang diperbesar dari organoid otak yang ditanam di laboratorium dengan label fluoresen dari berbagai jenis sel. (merah muda – neuron; merah – oligodendrosit; hijau – astrosit; biru – semua inti sel). Kredit: Thomas Hartung, Universitas Johns Hopkins

“Kami menyebut bidang interdisipliner baru ini ‘kecerdasan organik’ (OI),” kata Profesor Thomas Hartung dari Universitas Johns Hopkins.”Komunitas ilmuwan terkemuka telah berkumpul untuk mengembangkan teknologi ini, yang kami yakini akan meluncurkan era baru kecepatan, biokomputer yang kuat dan efisien.”

Apa organel otak, dan mengapa mereka membuat komputer yang bagus?

Organoid otak adalah jenis kultur sel di laboratorium. Meskipun organoid bukanlah “otak mini”, mereka berbagi aspek kunci dari fungsi dan struktur otak seperti neuron dan sel otak lainnya yang penting untuk fungsi kognitif seperti pembelajaran dan memori. Juga, sementara sebagian besar kultur sel berbentuk datar, organel memiliki struktur tiga dimensi. Ini menghasilkan peningkatan 1.000 kali lipat kepadatan sel kultur, yang berarti neuron dapat membentuk lebih banyak koneksi.

Tetapi bahkan jika organoid otak adalah peniru otak yang begitu baik, mengapa mereka membuat komputer yang begitu bagus? Lagi pula, bukankah komputer lebih pintar dan lebih cepat daripada otak?

Kecerdasan Organik: Perbatasan Baru dalam Grafik Biocomputing. Kredit: Frontiers/Universitas John Hopkins

“Sementara komputer berbasis silikon pasti lebih baik dengan angka, otak lebih baik dalam belajar,” jelas Hartung. Misalnya, AlphaGo [the AI that beat the world’s number one Go player in 2017] Itu dilatih berdasarkan data dari 160.000 game. Seseorang harus bermain lima jam sehari selama lebih dari 175 tahun untuk mengalami banyak permainan ini.”

Otak tidak hanya pembelajar yang unggul, mereka juga lebih hemat energi. Misalnya, jumlah energi yang dikeluarkan untuk pelatihan AlphaGo lebih dari yang dibutuhkan untuk mempertahankan orang dewasa yang aktif selama satu dekade.

“Otak juga memiliki kapasitas yang luar biasa untuk menyimpan informasi, diperkirakan mencapai 2.500 terabyte,” tambah Hartung. Kami telah mencapai batas fisik komputer silikon karena kami tidak dapat mengemas lebih banyak transistor ke dalam chip kecil. Tetapi otak terhubung dengan cara yang sama sekali berbeda. Ia memiliki sekitar 100 miliar neuron yang terhubung melalui lebih dari 1.015 titik koneksi. Ini perbedaan besar dalam kekuatan dibandingkan dengan teknologi kami saat ini.”

Kecerdasan Organik: Perbatasan Baru dalam Grafik Biocomputing. Kredit: Frontiers/Universitas John Hopkins

Seperti apa biokomputer dengan kecerdasan organik?

Menurut Hartung, organel otak yang ada perlu diperbesar ukurannya untuk OI. Mereka sangat kecil, masing-masing berisi sekitar 50.000 sel. Untuk OI, kami perlu meningkatkan jumlah itu menjadi 10 juta.”

Secara paralel, penulis juga mengembangkan teknik untuk berkomunikasi dengan organel: dengan kata lain, mengirimkan informasi kepada mereka dan membaca apa yang mereka pikirkan. Penulis berencana untuk mengadaptasi alat dari berbagai disiplin ilmu, seperti bioteknologi dan[{” attribute=””>machine learning, as well as engineer new stimulation and recording devices.

Organoid intelligence requires diverse technologies to communicate with brain organoids infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

“We developed a brain-computer interface device that is a kind of an EEG cap for organoids, which we presented in an article published last August. It is a flexible shell that is densely covered with tiny electrodes that can both pick up signals from the organoid, and transmit signals to it,” said Hartung.

The authors envision that eventually, OI would integrate a wide range of stimulation and recording tools. These will orchestrate interactions across networks of interconnected organoids that implement more complex computations.

Organoid intelligence could help prevent and treat neurological conditions

OI’s promise goes beyond computing and into medicine. Thanks to a groundbreaking technique developed by Noble Laureates John Gurdon and Shinya Yamanaka, brain organoids can be produced from adult tissues. This means that scientists can develop personalized brain organoids from skin samples of patients suffering from neural disorders, such as Alzheimer’s disease. They can then run multiple tests to investigate how genetic factors, medicines, and toxins influence these conditions.

Organoid intelligence will advance medical research and innovation infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

“With OI, we could study the cognitive aspects of neurological conditions as well,” Hartung said. “For example, we could compare memory formation in organoids derived from healthy people and from Alzheimer’s patients, and try to repair relative deficits. We could also use OI to test whether certain substances, such as pesticides, cause memory or learning problems.”

Taking ethical considerations into account

Creating human brain organoids that can learn, remember, and interact with their environment raises complex ethical questions. For example, could they develop consciousness, even in a rudimentary form? Could they experience pain or suffering? And what rights would people have concerning brain organoids made from their cells?

‘Embedded ethics’ will ensure responsible development of organoid intelligence infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

The authors are acutely aware of these issues. “A key part of our vision is to develop OI in an ethical and socially responsible manner,” Hartung said. “For this reason, we have partnered with ethicists from the very beginning to establish an ‘embedded ethics’ approach. All ethical issues will be continuously assessed by teams made up of scientists, ethicists, and the public, as the research evolves.”

How far are we from the first organoid intelligence?

Even though OI is still in its infancy, a recently-published study by one of the article’s co-authors – Dr. Brett Kagan of the Cortical Labs – provides proof of concept. His team showed that a normal, flat brain cell culture can learn to play the video game Pong.

“Their team is already testing this with brain organoids,” Hartung added. “And I would say that replicating this experiment with organoids already fulfills the basic definition of OI. From here on, it’s just a matter of building the community, the tools, and the technologies to realize OI’s full potential,” he concluded.

Reference: “Organoid intelligence (OI): the new frontier in biocomputing and intelligence-in-a-dish” by Lena Smirnova, Brian S. Caffo, David H. Gracias, Qi Huang, Itzy E. Morales Pantoja, Bohao Tang, Donald J. Zack, Cynthia A. Berlinicke, J. Lomax Boyd, Timothy D. Harris, Erik C. Johnson, Brett J. Kagan, Jeffrey Kahn, Alysson R. Muotri, Barton L. Paulhamus, Jens C. Schwamborn, Jesse Plotkin, Alexander S. Szalay, Joshua T. Vogelstein, Paul F. Worley and Thomas Hartung, 27 February 2023, Frontiers in Science.
DOI: 10.3389/fsci.2023.1017235