Phát triển máy tính từ tế bào não

Từ những cụm tế bào não nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học phát triển máy tính sống có khả năng học hỏi, ghi nhớ và xử lý thông tin.

Thiết bị xử lý sinh học tế bào não.

Công nghệ này không chỉ là bước ngoặt trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo và y học, mà còn kéo theo những tranh luận về ý thức và đạo đức khoa học.

Não bộ có thể học hỏi

Trong phòng thí nghiệm của công ty thực nghiệm Cortical Labs (Australia), cụm tế bào não người và chuột được nuôi cấy có thể tự học cách chơi trò chơi điện tử cổ điển Pong mà không cần sự can thiệp từ con người.

Cụ thể, sau khi được “huấn luyện” bằng kích thích điện, cụm tế bào có thể điều khiển mái chèo trên màn hình để đỡ bóng giống như người chơi thật. Thí nghiệm nhằm phát triển điện toán sinh học, lĩnh vực máy tính sử dụng tế bào não sống.

Ông Brett Kagan, Giám đốc khoa học của Cortical Labs, cho biết: “Thí nghiệm là bằng chứng cho thấy tế bào thần kinh có khả năng học hỏi và phản hồi ngay cả khi tách rời khỏi cơ thể con người. Nếu các mô hình AI cố gắng bắt chước cách hoạt động của não bộ, thì tại sao chúng ta không dùng chính sinh học để xây dựng trí thông minh?”.

TS Lena Smirnova, làm việc tại Trường Y tế Công cộng Bloomberg, Đại học Johns Hopkins (Mỹ), nhận định đây là bước đầu tiên để phát triển lĩnh vực “trí thông minh dạng cơ quan”. Kỹ thuật là sử dụng các cụm tế bào não sống để xử lý thông tin, học từ dữ liệu, phản ứng theo thời gian thực và tiêu tốn rất ít năng lượng. Mô hình này được kỳ vọng tạo ra một loại máy tính sinh học mới, thay thế cho các siêu máy tính hiện nay.

Không giống với máy tính truyền thống, vốn chạy bằng chip silicon với hàng tỷ bóng bán dẫn xử lý dữ liệu theo từng bước, bộ xử lý sinh học hoạt động như một mạng lưới không ngừng thay đổi. Trong đó, các tế bào thần kinh phát triển theo không gian 3 chiều, tạo ra vô số kết nối thông qua các khớp thần kinh, truyền tín hiệu không chỉ bằng điện mà còn bằng các chất hóa học.

Thay vì một bảng mạch cố định, bộ xử lý giống như một mạng sống luôn biến đổi. Sự linh hoạt này mang lại lợi thế lớn cho việc học hỏi, thích nghi và xử lý thông tin.

Đáng chú ý, não người hay các cụm tế bào não mini tiêu thụ năng lượng chỉ bằng một bóng đèn nhỏ. Trong khi đó, việc huấn luyện một mô hình AI như GPT-3 tiêu tốn khoảng 1,3 nghìn megawatt mỗi giờ, tương đương lượng điện một năm của 130 hộ gia đình Mỹ. Dữ liệu từ Đại học Johns Hopkins cho thấy, điện toán sinh học có thể giúp giảm tiêu thụ năng lượng từ một triệu đến 10 tỷ lần so với AI hiện tại.

Tích hợp tế bào não vào máy tính.

Từ phòng thí nghiệm đến thị trường

Điều đáng nói là công nghệ này không còn nằm trên giấy. Một số công ty đã thương mại hóa các “máy tính sống”. Công ty công nghệ sinh học tại Thụy Sĩ FinalSpark cho phép các nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới truy cập cụm tế bào não từ xa qua nền tảng Neuroplatform với chi phí khoảng một nghìn USD mỗi tháng.

Người dùng có thể gửi các tín hiệu điện, đo lường phản ứng và sử dụng hai chất dẫn truyền thần kinh dopamine hay serotonin để huấn luyện tế bào thần kinh thực hiện nhiệm vụ.

Trong khi đó, Cortical Labs bắt đầu bán thiết bị xử lý sinh học với giá khoảng 35 nghìn USD/chiếc. Thiết bị trông giống như một khoang nuôi cấy trong phim viễn tưởng, được trang bị hệ thống điều hòa nhiệt độ, lọc chất thải và dưỡng chất, giúp tế bào sống tới 6 tháng.

Một số nhà khoa học đưa công nghệ này ra khỏi phòng thí nghiệm. Tại Đại học Bristol (Anh), GS Ben Ward-Cherrier đã tích hợp cụm tế bào não mini vào robot, giúp chúng học đọc chữ nổi Braille với độ chính xác lên đến 83%. Trong tương lai, họ kỳ vọng sẽ huấn luyện robot nhận biết hình dạng vật thể và phản ứng phù hợp như điều chỉnh cánh tay để theo đường viền của một đồ vật.

Một trong những ứng dụng thực tiễn và nhân đạo nhất của máy tính sống hiện nay là trong nghiên cứu y học. Thay vì thử thuốc trên động vật, các nhà khoa học có thể sử dụng tế bào não mô phỏng để kiểm tra phản ứng của từng bệnh nhân. Họ có thể nuôi cấy các cụm tế bào lấy từ tế bào gốc của chính bệnh nhân, thử nghiệm thuốc lên các tế bào thần kinh cụ thể và đánh giá mức độ độc tính mà không cần đến chuột thí nghiệm.

Dù có nhiều triển vọng, các nhà khoa học đều thừa nhận, việc phát triển máy tính sống còn ở giai đoạn đầu và chưa thể thay thế bộ vi xử lý truyền thống. Các cụm tế bào não hiện nay, cả về mặt sinh học lẫn hành vi, đều còn rất non nớt như bào thai. Chúng chưa có cấu trúc hoàn chỉnh như não người trưởng thành nên chưa thể thực hiện các nhiệm vụ nhận thức phức tạp.

Hơn nữa, mỗi cụm tế bào phản ứng một cách khác nhau và việc duy trì sự sống của chúng trong thời gian dài vẫn là một thách thức kỹ thuật. TS Smirnova thừa nhận rằng máy tính sinh học chưa đủ ổn định để sử dụng cho các tác vụ tính toán chính thống, nhưng lại rất phù hợp cho nghiên cứu khoa học thần kinh nhờ sự mềm dẻo và khả năng phản ứng nhanh.

Bên cạnh đó là các vấn đề đạo đức. Khi các cụm tế bào não ngày càng phức tạp, liệu có lúc nào đó chúng sẽ phát triển ý thức? Và nếu có, liệu việc kích thích chúng bằng điện hoặc gây cảm giác khó chịu, có còn chấp nhận được?

Để chuẩn bị cho khả năng này, TS Smirnova và các cộng sự bắt đầu xây dựng khung đạo đức tương tự như trong nghiên cứu trên động vật. Các nguyên tắc này bao gồm giới hạn độ tuổi tế bào, loại thí nghiệm được phép thực hiện, cách thức lấy và nuôi cấy tế bào. Trong trường hợp sử dụng tế bào từ người hiến, cần có sự đồng thuận rõ ràng.

“Chúng tôi đang đi từng bước thận trọng và chu đáo trước khi bất kỳ mô não nào có thể trở thành sinh vật có tri giác”, TS Lena Smirnova nhấn mạnh.