Разделы

Интернет Веб-сервисы Цифровизация Внедрения Техника

Выпущен первый в мире биопроцессор на основе органоидов человеческого мозга. Он потребляет «в миллион раз меньше» энергии, чем обычный чип

Швейцарский биокомпьютерный стартап запустил онлайн-платформу с удалённым доступом к 16 органоидам человеческого мозга. Это считается первой в мире возможностью получить доступ к биологическим нейронам в экспериментальных условиях. Также разработчики утверждают, что такие биопроцессоры потребляют в миллион раз меньше энергии, чем традиционные чипы.

Платформа позволяет работать с биологическими нейронами

В конце мая 2024 г. швейцарский стартап FinalSpark представил онлайн-платформу Neuroplatform, предоставляющую пользователю удаленный доступ к 16 органоидам человеческого мозга.

По информации издания Tom's Hardware, компания FinalSpark предоставила доступ к своей платформе удаленного вычисления девяти учреждениям, чтобы помочь стимулировать исследования и разработки биообработки данных. Благодаря сотрудничеству с такими учреждениями компания надеется создать первый в мире «живой» процессор. Также уже есть три десятка университетов, которые заинтересованы в доступе к нейроплатформе. Подписка на доступ к Neuroplatform стоит $500 в месяц за пользователя.

Первый в мире биопроцессор из 16 органоидов человеческого мозга потребляет в миллион раз меньше обычных компьютеров

Проблемы следующие, органоиды биологического процессора живут около 100 дней, кремниевые же микросхемы могут служить десятилетиями. Нейронные структуры, которые образуют биопроцессоры, пригодны лишь для экспериментов, которые длятся несколько месяцев. Сначала они жили несколько дней, но в настоящее время жизнь органоидов существенно продлена.

Принцип работы

Работа нейроплатформы пока базируется на архитектуре, которую можно классифицировать как wetware: сочетание аппаратного обеспечения, программного обеспечения (ПО) и биологии. Основная инновация Neuroplatform заключается в использовании четырех многоэлектродных матриц (MEA), которые содержат живую ткань - органоиды, которые являются трехмерными клеточными массами ткани мозга.

(A) Микрофлюидная система, иллюстрирующая непрерывно работающую первичную систему, которая обеспечивает постоянный поток в камере со средой, и вторичную систему, отвечающую за замену среды каждые 48 часов. (B) Вид сбоку на сборку с камерой. Вся сборка покрыта алюминиевой фольгой для обеспечения минимально возможного уровня шума. (C) Вид сборки спереди, показывающий вход и выход микрофлюидной системы, а также светодиод, используемый во время захвата изображения

Каждый MEA содержит четыре органоида, соединенные восемью электродами, которые используются как для стимуляции, так и для записи. Данные передаются через цифро-аналоговые преобразователи (контроллер Intan RHS 32) с частотой 30 кГц и разрешением 16 бит (БТ). Эти ключевые особенности архитектуры поддерживаются микрофлюидной системой жизнеобеспечения для MEA и камерами мониторинга. Ведение и считывание данных поддерживает соответствующий программный стек.

Инженеры утверждают, что Neuroplatform способна обучаться и обрабатывать информацию, значительно снижая экологическое воздействие вычислительных процессов. Например, обучение одной языковой модели типа GPT-3 потребовало около 10 ГВт•ч, что в 6 тыс. раз больше средней годовой энергии, потребляемой европейцем. Биопроцессоры от FinalSpark могут существенно сократить такие энергозатраты.

Молекулярные вычисления

Закон Гордона Мура (Gordon Moore) является всего лишь эмпирическим наблюдением и упирается в физическую вместимость микропроцессора, то есть, в количество транзисторов, которые можно уместить на единицу площади. Это эмпирическое наблюдение, впервые сформулированное Муром в 1965 г. и затем уточненное в 1975 г. - о том, что при существующем темпе развития аппаратного обеспечения число транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые 24 месяца. В швейцарском биокомпьютерном стартапе FinalSpark пытаются уйти от традиционных носителей информации на материале соединений кремния и тем более, что срок действия закона Мура явственно подходит к концу.

(А) Протокол, используемый для создания органоидов переднего мозга. (B) Репрезентативные изображения, показывающие различные этапы формирования и дифференциации, сделанные в разные моменты времени. (C) Изображение всего формирования, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. (D) Вид под микроскопом и мембраны. (E) Обзор, где 32 электрода видны как 4 набора по 8 электродов в каждом. (F) Вид в разрезе установки, иллюстрирующий границу раздела воздух-жидкость

Вычислительная органика - это направление в области вычислительной техники, которое фокусируется на разработке и использовании органических молекул и биомолекулярных структур для выполнения вычислительных операций. Некоторые из примеров, которые исследуются в этом направлении, включают в себя использование энзимов для выполнения вычислительных операций, создание искусственных нейронных сетей на основе биомолекулярных структур и разработка новых типов компьютеров, которые используют органические молекулы для хранения и обработки данных. То есть, должны быть варианты хранения информации в белках и нуклеиновых кислотах. Тем более, что нуклеиновые кислоты в природе превосходно справляются с кодированием и передачей информации.

В современном мире постоянно генерируется все больше данных, и исследователи как могут изобретают новые способы их хранения. ДНК по-прежнему считается весьма перспективной в качестве исключительно компактного и устойчивого носителя информации. В настоящее время формируется новый подход, позволяющий записывать цифровые данные непосредственно в геномы живых клеток. С 2014 г. интерес к таким подходам оживился, и уже есть заметные достижения в этой области. Ситуация вызвана взрывным ростом генерируемых данных, причем, нет никаких признаков его замедления.

Как автоматизировать рутину с помощью роботов и ИИ: опыт, советы, цифры и факты
Маркет

По информации Массачусетского технологического института, предполагается, что к концу 2025 г. во всем мире ежедневно будет создаваться 500 экзобайит (ЭБ) данных. Хранение всех этих данных с применением кремниевых технологий вскоре может стать непрактичным, но выход может заключаться в использовании ДНК. Во-первых, плотность информации ДНК в миллионы раз выше, чем на обычных жестких дисках. Во-вторых, при правильном хранении ДНК исключительно стабильна.

Основная сложность заключается в том, чтобы найти интерфейс между цифровым миром информатики и биохимическим миром генетики и для этого требуется синтезировать ДНК в лаборатории, и этот процесс по-прежнему дорогой и сложный, хотя, стоимость синтеза ДНК быстро снижается. Полученные последовательности затем тщательно хранятся внутри, пока не потребуется вновь к ним обратиться, либо их можно внедрять в живые клетки при помощи технологии CRISPR, предназначенной для редактирования генов.

Антон Денисенко