Im Labor erzeugte und an einen Chip angeschlossene Neuronen konnten menschliche Stimmen erkennen
Die Verschmelzung von Mensch und Maschine wird dank der Entwicklung der künstlichen Intelligenz immer greifbarer und konkreter. Nun hat eine Gruppe von Wissenschaftlern ein hybrides System entwickelt, das in der Lage ist, eine Stimmerkennung durchzuführen. Wir wollen mehr darüber erfahren.
Künstliche Intelligenz und Hirnorganoide
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Künstliche Intelligenz ist ein Bereich der Informatik, der darauf abzielt, Systeme und Algorithmen zu entwickeln, die in der Lage sind, Aufgaben auszuführen, die menschliche Intelligenz erfordern. Diese Systeme können aus Daten lernen, logisch denken, Probleme lösen, natürliche Sprache verstehen und mit ihrer Umgebung interagieren. KI kann viele Formen annehmen, darunter Expertensysteme, Algorithmen für maschinelles Lernen und neuronale Netze, oder verschiedene Techniken kombinieren, um bestimmte Aufgaben oder Probleme zu lösen. Eine neue Studie hat gezeigt, dass im Labor gezüchtete Gehirnzellen, die mit einem speziellen elektronischen Chip verbunden sind, in der Lage sind, Spracherkennung durchzuführen.
Es handelt sich dabei um Hirnorganoide, dreidimensionale Strukturen, die bestimmte Merkmale eines sich entwickelnden menschlichen Gehirns im Labor nachbilden. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Aggregate von Gehirnzellen, d. h. Neuronen, und unterstützenden Zellen, wie z. B. Gliazellen, die in vitro, d. h. außerhalb des Körpers, kultiviert werden, um das Verhalten von Gehirngewebe und die Dynamik der neuronalen Entwicklung zu untersuchen. Ihre Herstellung ist dank der induzierten pluripotenten Stammzellentechnologie möglich, die es erlaubt, reife menschliche Zellen in Stammzellen umzuwandeln, die sich in verschiedene Zelltypen, einschließlich Neuronen, differenzieren können.
Ein Hardware-Ansatz für künstliche Intelligenz
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Die Gruppe von Wissenschaftlern der Indiana University Bloomington unter der Leitung des Ingenieurs Feng Guo hat mit Hilfe von Stammzellen ein Gehirnorganoid geschaffen. Anschließend befestigten sie es an einem Chip und konfigurierten es mit ihrem Tool für künstliche Intelligenz namens Brainoware. Dabei stellten sie fest, dass das von ihnen geschaffene Hybridsystem in der Lage war, die empfangenen Informationen zu verarbeiten, zu verstehen und sich zu merken sowie eine gewisse Spracherkennung zu zeigen. Die Studie könnte den Weg für Biocomputer ebnen, die die heutigen Standard-PCs ersetzen werden.
"Gehirn-inspirierte Computerhardware zielt darauf ab, die Struktur und die Funktionsprinzipien des Gehirns zu emulieren, und könnte verwendet werden, um die derzeitigen Grenzen der Technologien für künstliche Intelligenz zu überwinden", schreiben die Forschungsautoren. Allerdings sind Siliziumchips, die von Gehirnen inspiriert sind, in ihrer Fähigkeit, Gehirnfunktionen vollständig nachzuahmen, noch begrenzt, da die meisten Beispiele auf digitalen elektronischen Prinzipien basieren. Hier berichten wir über einen Hardware-Ansatz für künstliche Intelligenz, der die adaptive Reservoirberechnung biologischer neuronaler Netze in einem Hirnorganoid nutzt. Bei diesem Brainoware genannten Ansatz erfolgt die Berechnung durch Senden und Empfangen von Informationen aus dem Hirnorganoiden unter Verwendung eines hochdichten Multielektroden-Arrays".
Die Wissenschaftler veranschaulichten das praktische Potenzial dieser Technik, indem sie sie für die Spracherkennung und die "Vorhersage nichtlinearer Gleichungen in einem Reservoir-Berechnungsrahmen" einsetzten.
Gehirnorganoide in der Informatik: eine Premiere
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Seit vielen Jahren wird in der Wissenschaft versucht, Computer nach dem Vorbild fortgeschrittener biologischer Systeme zu entwickeln. Tatsächlich sind die Computer, die wir heute kennen, weitaus effizienter als menschliche Gehirne, wenn es darum geht, mit Zahlen zu arbeiten und strukturierte Daten zu verarbeiten, ohne viel Zeit und Energie zu verbrauchen. Guo sagte: "Dies ist die erste Demonstration des Einsatzes von Hirnorganoiden in der Computertechnik. Es ist spannend zu sehen, welche Möglichkeiten Organoide in Zukunft für die Bioinformatik bieten werden.
Das Ziel bei der Verwendung von Brainoware war es, echte Gehirnzellen für den Austausch von Informationsein- und -ausgabe zu nutzen. Nachdem das Hybridsystem elektrisch stimuliert worden war, zeigte die künstliche Intelligenz Veränderungen in den neuronalen Netzen, die auf die Signale reagierten. Das Team beschloss daraufhin, das System in mehreren Tests zu erproben, von denen einer das Lösen mathematischer Gleichungen beinhaltete. Dann wandelten sie 240 Audioclips mit acht verschiedenen Stimmen, die japanische Vokale aussprachen, in elektrische Signale um und wendeten sie auf Brainoware an. Brainoware erzeugte Signale in den neuronalen Netzen, die bei der Dekodierung eine Art von Spracherkennung zeigten, obwohl "die Genauigkeit gering war", so Guo. Mit dem Training des Hybriden stieg die Genauigkeit auf 78 %, obwohl sie noch weit von den Ergebnissen der künstlichen neuronalen Netze entfernt war.
Ziel der Forschung war es daher, "eine Brücke zwischen künstlicher Intelligenz und Organoiden zu schlagen", da sowohl die künstliche Intelligenz als auch das Gehirn auf der Übertragung von Signalen über ein neuronales Netz beruhen. "Wir wollten wissen, ob wir das biologische neuronale Netzwerk innerhalb des Gehirnorganoids für die Datenverarbeitung nutzen können. Bei der Verwendung lebender Zellen für die Datenverarbeitung müssen jedoch zahlreiche Herausforderungen bewältigt werden, wie z. B. die Aufrechterhaltung der Organoide, die mit der Entwicklung künftiger Anwendungen an Größe gewinnen können. Der nächste Schritt wird darin bestehen, die mögliche Fähigkeit der Organoide zu verstehen, kompliziertere Aufgaben zu erfüllen, um die Möglichkeit zu bewerten, sie in Silizium-Mikrochips einzubauen, die derzeit für die auf künstlicher Intelligenz beruhende Datenverarbeitung verwendet werden. Was halten Sie von diesen Fortschritten?
