I ricercatori eseguono il riconoscimento vocale AI con cellule cerebrali umane

Gruppi di cellule cerebrali umane coltivate in piastre di Petri sono stati integrati con i computer per ottenere un livello fondamentale di riconoscimento vocale.

Feng Guo, dell'Indiana University Bloomington, spiega lo studio, pubblicato su Elettronica naturaleSi tratta di una dimostrazione preliminare per dimostrare la fattibilità del concetto. C'è ancora un viaggio considerevole da fare".

Guo sottolinea due sfide principali dell'IA convenzionale che questa forma di IA biologica cerca di risolvere: l'elevato consumo energetico e i limiti intrinseci dei chip di silicio, come le loro distinte funzioni di elaborazione e di archiviazione delle informazioni.

Il team di Guo, insieme ad altri, come l'australiano Cortical Labs, che cellule cerebrali addestrate per giocare a Pong nel 2022stanno esplorando il biocomputing con cellule nervose viventi come potenziale soluzione a queste sfide. 

Questi organoidi cerebrali - colture di tessuto tridimensionali auto-organizzate che assomigliano a mini-cervelli - emergono da cellule staminali in condizioni di crescita specifiche. 

Possono raggiungere un diametro di alcuni millimetri e contenere fino a 100 milioni di cellule nervose. In confronto, un cervello umano ha circa 100 miliardi di cellule nervose. Gli organoidi sono posizionati su un array di microelettrodi che stimola l'organoide e registra l'attività neuronale. Il team di Guo chiama questa configurazione "Brainoware".

In sostanza, Brainoware è una nuova forma di intelligenza artificiale molto diversa da quella che vediamo di solito nei computer e negli smartphone.

Invece di utilizzare i normali chip, i ricercatori hanno creato un piccolo cluster di cellule cerebrali umane - l'organoide del cervello. Questo minuscolo "mini-cervello" è stato coltivato in laboratorio a partire da cellule staminali ed è in grado di svolgere alcuni compiti di base che di solito associamo all'intelligenza artificiale, come il riconoscimento dei modelli di linguaggio.

Come funziona

 L'organoide cerebrale viene posizionato su uno speciale dispositivo in grado di inviare e leggere segnali elettrici.

In questo modo, i ricercatori possono comunicare con l'organoide, come se gli insegnassero a rispondere a determinati modelli o input. Nello studio, l'hanno addestrato a riconoscere diverse voci da clip audio.

Uno degli aspetti più notevoli di Brainware è che impara e si adatta. Proprio come il cervello umano migliora con la pratica, l'organoide migliora la sua capacità di riconoscere le voci quanto più è esposto ad esse. 

Questo ci porta a un passo dalla creazione di un'intelligenza artificiale che funzioni come il cervello umano, che è eccezionalmente efficiente e non ha bisogno di molta energia per funzionare (all'incirca quella di una piccola lampadina).

Tuttavia, ci sono delle sfide. La coltivazione di questi organoidi cerebrali è complicata: sono difficili da creare, da replicare in modo costante e non durano a lungo, ma il team sta lavorando a delle soluzioni. 

Prestazioni di Brainoware

In un esperimento di riconoscimento vocale non supervisionato, gli organoidi sono stati addestrati a distinguere una singola voce da 240 registrazioni audio di otto individui che pronunciavano suoni vocali giapponesi. Questi suoni sono stati convertiti in sequenze di segnali e modelli spaziali per gli organoidi.

Inizialmente, gli organoidi hanno mostrato un tasso di accuratezza di circa 30-40%, che è migliorato a 70-80% dopo due giorni di addestramento. 

Per saperne di più sullo studio

IA bio-ispirata assume alcune forme diverse, come ad esempio chip neuromorfi basati su neuroni biologici. Questo va oltre, creando un'architettura computazionale a partire da organoidi biologici. 

Ecco maggiori dettagli su come funziona:

1. Hardware AI bio-ispirato: Lo studio, pubblicato su Nature Electronics, presenta Brainoware, un nuovo hardware di intelligenza artificiale che impiega reti neurali biologiche all'interno di un organoide cerebrale. Ciò segna un cambiamento fondamentale rispetto ai tradizionali chip di silicio ispirati al cervello, offrendo un'emulazione più autentica della funzione cerebrale.
2. Struttura e funzionalità di Brainoware: Brainoware funziona interfacciando un organoide cerebrale, cresciuto da cellule staminali pluripotenti umane, con un array di multielettrodi ad alta densità. Questa configurazione consente sia la trasmissione di segnali elettrici all'organoide sia il rilevamento delle risposte neurali. L'organoide presenta proprietà quali dinamica non lineare, memoria e capacità di elaborare informazioni spaziali.
3. Applicazioni dimostrate nello studio: Il team ha applicato con successo Brainoware in scenari pratici, come il riconoscimento vocale e la previsione di equazioni caotiche non lineari (come la mappa di Hénon). Questo dimostra la capacità di Brainoware di migliorare le proprie prestazioni di calcolo attraverso l'addestramento, sottolineando il suo potenziale per i compiti che richiedono un apprendimento adattivo.
4. Sfide e limiti: Nonostante l'approccio innovativo, Brainoware deve affrontare diverse sfide tecniche, tra cui la generazione e la manutenzione degli organoidi cerebrali. Inoltre, la dipendenza dell'hardware da apparecchiature periferiche ne ostacola il potenziale. In altre parole, sono necessarie molte apparecchiature di supporto per consentire agli organi cerebrali di funzionare correttamente. 
5. Direzioni future e potenziale: Lo studio suggerisce che, grazie ai progressi nella coltivazione degli organoidi e alla risoluzione dei problemi pratici ad essi associati, Brainoware potrebbe evolvere in un sistema più efficiente e sofisticato. Ciò potrebbe portare a un hardware di intelligenza artificiale che imita più da vicino il funzionamento del cervello umano, riducendo potenzialmente il consumo di energia.

In futuro, questi tipi di sistemi di biocomputing potrebbero eseguire compiti di intelligenza artificiale in modo più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai tradizionali chip basati sul silicio. 

Gli sviluppi di quest'anno nel campo dell'intelligenza artificiale bioispirata sono molto promettenti per aiutare l'industria dell'intelligenza artificiale a superare i limiti del calcolo a forza bruta e a creare tecnologie efficienti dal punto di vista energetico, eleganti come la natura.