Die digitale Technologie ist der Biologie, der DNA und dem Gehirn etwas näher

Elon Musk versichert, dass Menschen in naher Zukunft in der Lage sein werden, eine vollwertige Gehirn-Computer-Schnittstelle zu schaffen. Inzwischen hören wir ab und zu von seinen Tierversuchen, zuerst an Schweinen und neuerdings auch an Affen. Die Vorstellung, dass Musk sich durchsetzen und in der Lage sein wird, ein Kommunikationsterminal in den Kopf einer Person zu implantieren, fasziniert die einen, macht anderen Angst.

Er arbeitet nicht nur an einem neuen Moschus. Wissenschaftler aus Großbritannien, der Schweiz, Deutschland und Italien gaben kürzlich die Ergebnisse eines kombinierten Projekts bekannt künstliche Neuronen mit natürlichen (eines). All dies geschieht über das Internet, das es biologischen und „Silizium“-Neuronen ermöglicht, miteinander zu kommunizieren. Das Experiment umfasste das Züchten von Neuronen in Ratten, die dann für die Signalübertragung verwendet wurden. Gruppenführer Stefan Vassanelli berichteten, dass Wissenschaftler erstmals zeigen konnten, dass künstliche Neuronen, die auf einem Chip platziert sind, direkt mit biologischen verbunden werden können.

Forscher wollen davon profitieren künstliche neurale Netzwerke Wiederherstellung der ordnungsgemäßen Funktion geschädigter Bereiche des Gehirns. Einmal in ein spezielles Implantat implantiert, fungieren die Neuronen als eine Art Prothese, die sich an die natürlichen Bedingungen des Gehirns anpasst. Mehr über das Projekt selbst können Sie in einem Artikel in Scientific Reports nachlesen.

Facebook will in dein Gehirn eindringen

Diejenigen, die Angst vor solch neuer Technologie haben, mögen Recht haben, besonders wenn wir hören, dass wir zum Beispiel den „Inhalt“ unseres Gehirns wählen möchten. Bei einer Veranstaltung des von Facebook unterstützten Forschungszentrums Chan Zuckerberg BioHub im Oktober 2019 sprach er über Hoffnungen auf gehirngesteuerte tragbare Geräte, die Maus und Tastatur ersetzen würden. „Das Ziel ist es, Objekte in der virtuellen oder erweiterten Realität mit seinen Gedanken steuern zu können“, sagte Zuckerberg, zitiert von CNBC. Facebook kaufte CTRL-labs, ein Startup, das Gehirn-Computer-Schnittstellensysteme entwickelt, für fast eine Milliarde Dollar.

Die Arbeit an der Gehirn-Computer-Schnittstelle wurde erstmals 8 auf der Facebook-F2017-Konferenz angekündigt. Dem langfristigen Plan des Unternehmens zufolge sollen nicht-invasive tragbare Geräte es den Benutzern eines Tages ermöglichen schreibe Wörter, indem du sie einfach denkst. Aber diese Art von Technologie befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium, zumal wir über berührungsempfindliche, nicht-invasive Schnittstellen sprechen. „Ihre Fähigkeit, das, was im Gehirn passiert, in motorische Aktivität umzusetzen, ist begrenzt. Für große Chancen muss etwas implantiert werden“, sagte Zuckerberg bei dem oben genannten Treffen.

Werden sich die Menschen erlauben, „etwas zu implantieren“, um sich mit Menschen zu verbinden, die für ihren ungezügelten Appetit bekannt sind? Private Daten von Facebook? (2) Vielleicht finden sich solche Leute, besonders wenn er ihnen Ausschnitte von Artikeln anbietet, die sie nicht lesen wollen. Im Dezember 2020 teilte Facebook den Mitarbeitern mit, dass es an einem Tool arbeite, um Informationen zusammenzufassen, damit Benutzer sie nicht lesen müssen. Bei demselben Treffen stellte er auf der Website weitere Pläne für einen neuronalen Sensor vor, der menschliche Gedanken erkennen und in Handlungen umsetzen soll.

2. Das Gehirn und die Schnittstellen von Facebook

Woraus bestehen gehirneffiziente Computer?

Diese Projekte sind nicht die einzigen Bemühungen, die geschaffen werden müssen. Die bloße Verbindung dieser Welten ist nicht das einzige Ziel, das verfolgt wird. Es sind beispielsweise. Neuromorphes Engineering, ein Trend, der darauf abzielt, die Fähigkeiten von Maschinen nachzubilden menschliches Gehirnzum Beispiel in puncto Energieeffizienz.

Es wird vorhergesagt, dass bis 2040 die globalen Energieressourcen unseren Computerbedarf nicht decken können, wenn wir uns an Siliziumtechnologien halten. Daher müssen dringend neue Systeme entwickelt werden, die Daten schneller und vor allem energieeffizienter verarbeiten können. Wissenschaftler wissen seit langem, dass Mimikry-Techniken eine Möglichkeit sein können, dieses Ziel zu erreichen. menschliches Gehirn.

W Silizium-Computer Unterschiedliche Funktionen werden von unterschiedlichen physischen Objekten ausgeführt, was die Verarbeitungszeit erhöht und enorme Wärmeverluste verursacht. Im Gegensatz dazu können Neuronen im Gehirn gleichzeitig Informationen über ein riesiges Netzwerk mit der zehnfachen Spannung unserer fortschrittlichsten Computer senden und empfangen.

Der Hauptvorteil des Gehirns gegenüber seinen Gegenstücken aus Silizium ist seine Fähigkeit, Daten parallel zu verarbeiten. Jedes der Neuronen ist mit Tausenden anderen verbunden, und alle können als Ein- und Ausgänge für Daten fungieren. Um Informationen speichern und verarbeiten zu können, wie wir es tun, ist es notwendig, physikalische Materialien zu entwickeln, die schnell und reibungslos von einem Zustand der Leitung in einen Zustand der Unvorhersehbarkeit übergehen können, wie es bei Neuronen der Fall ist. 

Vor einigen Monaten wurde in der Zeitschrift Matter ein Artikel über die Untersuchung eines Materials mit solchen Eigenschaften veröffentlicht. Wissenschaftler der Texas A&M University haben Nanodrähte aus dem zusammengesetzten Symbol β'-CuXV2O5 hergestellt, die die Fähigkeit zeigen, als Reaktion auf Temperatur-, Spannungs- und Stromänderungen zwischen Leitungszuständen zu oszillieren.

Bei näherer Untersuchung wurde festgestellt, dass diese Fähigkeit auf die Bewegung von Kupferionen durch β'-CuxV2O5 zurückzuführen ist, die verursacht Elektronenbewegung und verändert die leitfähigen Eigenschaften des Materials. Um dieses Phänomen zu kontrollieren, wird in β'-CuxV2O5 ein elektrischer Impuls erzeugt, der dem sehr ähnlich ist, der auftritt, wenn biologische Neuronen sich gegenseitig Signale senden. Unser Gehirn funktioniert, indem es bestimmte Neuronen zu Schlüsselzeiten in einer einzigartigen Sequenz abfeuert. Eine Abfolge neuronaler Ereignisse führt zur Verarbeitung von Informationen, sei es das Abrufen einer Erinnerung oder das Ausführen einer körperlichen Aktivität. Das Schema mit β'-CuxV2O5 funktioniert auf die gleiche Weise.

Festplatte in DNA

Ein weiteres Forschungsgebiet ist die auf Biologie basierende Forschung. Methoden der Datenspeicherung. Eine der Ideen, die wir auch schon oft in MT beschrieben haben, ist die folgende. Datenspeicherung in der DNA, gilt als vielversprechendes, äußerst kompaktes und stabiles Speichermedium (3). Unter anderem gibt es Lösungen, die es ermöglichen, Daten im Genom lebender Zellen zu speichern.

Bis 2025 werden weltweit schätzungsweise fast fünfhundert Exabyte an Daten pro Tag produziert. Ihre Aufbewahrung kann schnell unpraktisch werden. traditionelle Siliziumtechnologie. Die Informationsdichte in DNA ist potenziell millionenfach höher als die herkömmlicher Festplatten. Es wird geschätzt, dass ein Gramm DNA bis zu 215 Millionen Gigabyte enthalten kann. Es ist auch sehr stabil, wenn es richtig gelagert wird. Im Jahr 2017 extrahierten Wissenschaftler das vollständige Genom einer ausgestorbenen Pferdeart, die vor 700 Jahren lebte, und letztes Jahr wurde die DNA von einem Mammut gelesen, das vor einer Million Jahren lebte.

Die Hauptschwierigkeit besteht darin, einen Weg zu finden Verbindung Digitale Welt i Daten mit der biochemischen Welt der Gene. Aktuell geht es um DNA-Synthese im Labor, und obwohl die Kosten schnell sinken, ist es immer noch eine schwierige und kostspielige Aufgabe. Einmal synthetisierte Sequenzen müssen sorgfältig in vitro aufbewahrt werden, bis sie zur Wiederverwendung bereit sind oder mithilfe der CRISPR-Geneditierungstechnologie in lebende Zellen eingeführt werden können.

Forscher der Columbia University haben einen neuen Ansatz demonstriert, der eine direkte Umwandlung ermöglicht digitale elektronische Signale in die genetischen Daten, die im Genom lebender Zellen gespeichert sind. „Stellen Sie sich zellulare Festplatten vor, die in Echtzeit rechnen und physisch rekonfigurieren können“, sagte Harris Wang, eines der Teammitglieder des Singularity Hub. "Wir glauben, dass der erste Schritt darin besteht, binäre Daten direkt in Zellen zu codieren, ohne dass eine In-vitro-DNA-Synthese erforderlich ist."

Die Arbeit basiert auf einem CRISPR-basierten Zellrekorder, der Van zuvor für E. coli-Bakterien entwickelt, das das Vorhandensein bestimmter DNA-Sequenzen im Inneren der Zelle erkennt und dieses Signal im Genom des Organismus aufzeichnet. Das System verfügt über ein DNA-basiertes „Sensormodul“, das auf bestimmte biologische Signale reagiert. Wang und seine Kollegen passten das Sensormodul an einen von einem anderen Team entwickelten Biosensor an, der wiederum auf elektrische Signale reagiert. Letztendlich erlaubten dies die Forscher direkte Kodierung digitaler Informationen im Bakteriengenom. Die Datenmenge, die eine Zelle speichern kann, ist ziemlich klein, nur drei Bits.

Die Wissenschaftler fanden also einen Weg, 24 verschiedene Bakterienpopulationen gleichzeitig mit unterschiedlichen 3-Bit-Datenstücken zu codieren, also insgesamt 72 Bit. Sie benutzten es, um „Hallo Welt!“-Nachrichten zu verschlüsseln. bei Bakterien. und zeigten, dass sie durch Ordnen der gepoolten Population und Verwendung eines speziell entwickelten Klassifikators die Nachricht mit einer Genauigkeit von 98 Prozent lesen konnten. 

Offensichtlich sind 72 Bit weit von der Kapazität entfernt. Massenspeicher moderne Festplatten. Wissenschaftler glauben jedoch, dass die Lösung schnell skaliert werden kann. Speichern von Daten in Zellen Laut Wissenschaftlern ist es viel billiger als andere Methoden Kodierung in Genenweil Sie einfach mehr Zellen züchten können, anstatt sich einer komplizierten künstlichen DNA-Synthese zu unterziehen. Zellen haben auch eine natürliche Fähigkeit, DNA vor Umweltschäden zu schützen. Sie demonstrierten dies, indem sie E. coli-Zellen zu unsterilisierter Blumenerde hinzufügten und dann zuverlässig die gesamte 52-Bit-Nachricht daraus extrahierten, indem sie die mit der Erde verbundene mikrobielle Gemeinschaft sequenzierten. Wissenschaftler haben auch damit begonnen, die DNA von Zellen so zu gestalten, dass sie logische und Gedächtnisoperationen ausführen können.

4. Vision der transhumanistischen Singularität als nächste Evolutionsstufe

Integration Computertechniker i Telekommunikation es ist stark mit Vorstellungen einer transhumanistischen "Singularität" verbunden, die auch von anderen Futuristen vorhergesagt wird (4). Gehirn-Maschine-Schnittstellen, synthetische Neuronen, Speicherung von Genomdaten – all das kann sich in diese Richtung entwickeln. Es gibt nur ein Problem - das sind all die Methoden und Experimente in der sehr frühen Phase der Forschung. Diejenigen, die diese Zukunft fürchten, sollten also in Frieden ruhen, und die Enthusiasten der Mensch-Maschine-Integration sollten sich beruhigen.