Ein „Biocomputer“, der von menschlichen Gehirnzellen angetrieben wird, könnte noch zu unseren Lebzeiten entwickelt werden. Das sagen Forscher der Johns Hopkins University, die davon ausgehen, dass eine solche Technologie die Möglichkeiten der modernen Datenverarbeitung exponentiell erweitern und neue Studienbereiche schaffen wird.
Das Team skizziert seinen Plan für „organoide Intelligenz“ heute in der Zeitschrift Frontiers in Science.
„Computer und künstliche Intelligenz haben die technologische Revolution vorangetrieben, aber sie stoßen an ihre Grenzen“, sagte Thomas Hartung, Professor für Umwelt- und Gesundheitswissenschaften an der Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health und der Whiting School of Engineering, der die Arbeit anführt. „Biocomputing ist eine enorme Anstrengung, die Rechenleistung zu verdichten und ihre Effizienz zu steigern, um unsere derzeitigen technologischen Grenzen zu überwinden.
Seit fast zwei Jahrzehnten verwenden Wissenschaftler winzige Organoide, im Labor gezüchtetes Gewebe, das ausgewachsenen Organen ähnelt, um an Nieren, Lungen und anderen Organen zu experimentieren, ohne auf Menschen oder Tiere zurückgreifen zu müssen. In jüngster Zeit haben Hartung und seine Kollegen an der Johns Hopkins University mit Hirnorganoiden gearbeitet, Kugeln von der Größe eines Kugelschreibers mit Neuronen und anderen Merkmalen, die grundlegende Funktionen wie Lernen und Gedächtnis aufrechterhalten können.
„Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung der Funktionsweise des menschlichen Gehirns“, so Hartung. „Denn man kann das System manipulieren und Dinge tun, die man mit menschlichen Gehirnen aus ethischen Gründen nicht tun kann.
Hartung begann 2012 mit der Züchtung und dem Zusammenbau von Gehirnzellen zu funktionsfähigen Organoiden, indem er Zellen aus menschlichen Hautproben verwendete, die in einen embryonalen stammzellähnlichen Zustand umprogrammiert wurden. Jedes Organoid enthält etwa 50.000 Zellen, was in etwa der Größe des Nervensystems einer Fruchtfliege entspricht. Er stellt sich nun vor, einen futuristischen Computer mit solchen Gehirnorganoiden zu bauen.
Computer, die auf dieser „biologischen Hardware“ laufen, könnten im nächsten Jahrzehnt den Energieverbrauch von Supercomputern senken, der zunehmend unhaltbar wird, so Hartung. Auch wenn Computer Berechnungen mit Zahlen und Daten schneller verarbeiten als Menschen, sind Gehirne viel intelligenter, wenn es darum geht, komplexe logische Entscheidungen zu treffen, etwa einen Hund von einer Katze zu unterscheiden.
„Das Gehirn ist immer noch unübertroffen von modernen Computern“, sagte Hartung. „Frontier, der neueste Supercomputer in Kentucky, ist eine 600 Millionen Dollar teure, 6.800 Quadratmeter große Anlage. Erst im Juni letzten Jahres übertraf er zum ersten Mal die Rechenkapazität eines einzelnen menschlichen Gehirns – allerdings mit einer Million Mal mehr Energie.“
Es könnte Jahrzehnte dauern, bis die organoide Intelligenz ein so intelligentes System wie eine Maus antreiben kann, so Hartung. Aber wenn die Produktion von Hirnorganoiden gesteigert und sie mit künstlicher Intelligenz trainiert werden, sieht er eine Zukunft voraus, in der Biocomputer eine überlegene Rechengeschwindigkeit, Verarbeitungsleistung, Dateneffizienz und Speichermöglichkeiten bieten.
„Es wird Jahrzehnte dauern, bis wir das Ziel erreichen, etwas zu schaffen, das mit jeder Art von Computer vergleichbar ist“, so Hartung. „Aber wenn wir nicht anfangen, Förderprogramme dafür zu schaffen, wird es noch viel schwieriger werden.“
Organoide Intelligenz könnte auch die Erforschung von Medikamententests für neurologische Entwicklungsstörungen und Neurodegeneration revolutionieren, sagte Lena Smirnova, eine Johns Hopkins Assistenzprofessorin für Umweltgesundheit und Ingenieurwesen, die die Untersuchungen mit leitet.
„Wir wollen Hirnorganoide von normal entwickelten Spendern mit Hirnorganoiden von Spendern mit Autismus vergleichen“, so Smirnova. „Die Werkzeuge, die wir für das biologische Rechnen entwickeln, sind dieselben, die es uns ermöglichen werden, Veränderungen in neuronalen Netzwerken zu verstehen, die für Autismus spezifisch sind, ohne dass wir Tiere verwenden oder auf Patienten zugreifen müssen, so dass wir die zugrunde liegenden Mechanismen verstehen können, warum Patienten diese kognitiven Probleme und Beeinträchtigungen haben.“
Um die ethischen Implikationen der Arbeit mit organoider Intelligenz zu bewerten, wurde ein vielfältiges Konsortium aus Wissenschaftlern, Bioethikern und Mitgliedern der Öffentlichkeit in das Team eingebunden.
Zu den Johns Hopkins-Autoren gehören: Brian S. Caffo, David H. Gracias, Qi Huang, Itzy E. Morales Pantoja, Bohao Tang, Donald J. Zack, Cynthia A. Berlinicke, J. Lomax Boyd, Timothy DHarris, Erik C. Johnson, Jeffrey Kahn, Barton L. Paulhamus, Jesse Plotkin, Alexander S. Szalay, Joshua T. Vogelstein, und Paul F. Worley.
Weitere Autoren waren: Brett J. Kagan von Cortical Labs; Alysson R. Muotri von der University of California San Diego; und Jens C. Schwamborn von der Universität Luxemburg.
