Nhân loại tiến gần đến máy tính sinh học từ tế bào sống

Trong số những người đi đầu có một nhóm nhà nghiên cứu tại Thụy Sĩ. Họ đặt kỳ vọng rằng trong tương lai, có thể sẽ xuất hiện các trung tâm dữ liệu chứa máy chủ “sống” – những hệ thống có khả năng mô phỏng cách trí tuệ nhân tạo (AI) học hỏi, đồng thời tiêu thụ chỉ một phần nhỏ năng lượng so với công nghệ hiện tại. Đó là tầm nhìn của tiến sĩ Fred Jordan, đồng sáng lập phòng thí nghiệm FinalSpark.

Biocomputing là gì?

Ngành khoa học máy tính quen thuộc với khái niệm phần cứng (hardware) và phần mềm (software). Giới nghiên cứu biocomputing bổ sung thêm một thuật ngữ gây chú ý: “wetware” – phần “ẩm” được tạo từ các mô sống. Cốt lõi của ý tưởng là tạo ra những tế bào thần kinh (neuron), nuôi cấy thành các cụm gọi là organoid, sau đó gắn chúng vào các điện cực để sử dụng như một dạng “máy tính sinh học” thu nhỏ.

Theo tiến sĩ Jordan, đối với nhiều người, khái niệm này khá kỳ lạ. “Trong khoa học viễn tưởng, con người đã quen thuộc với những ý tưởng này từ lâu. Nhưng khi nói ‘tôi sẽ dùng neuron như một cỗ máy nhỏ’, thì đó là một cách nhìn khác về chính bộ não của chúng ta, khiến ta tự hỏi bản thân thực sự là gì”.

Tại FinalSpark, quy trình bắt đầu bằng việc sử dụng tế bào gốc từ tế bào da người, mua từ phòng khám tại Nhật Bản. Người hiến tế bào được giữ bí mật. Nhóm nghiên cứu chỉ chọn những nguồn cung cấp chính thức, bởi chất lượng tế bào là yếu tố sống còn.

Trong phòng thí nghiệm, nhà sinh học tế bào của FinalSpark, tiến sĩ Flora Brozzi, thường giới thiệu những đĩa petri chứa các khối cầu trắng li ti. Mỗi khối cầu chính là một “não bộ mini” được nuôi cấy – những organoid được hình thành từ tế bào gốc, phát triển thành neuron và tế bào hỗ trợ. Dù không phức tạp như não người, chúng vẫn chia sẻ các thành phần cơ bản.

Sau nhiều tháng nuôi cấy, các organoid được gắn điện cực và kích thích để phản ứng với các tín hiệu điện đơn giản. Khi một tín hiệu được truyền qua điện cực, đôi khi trên màn hình máy tính kết nối sẽ hiện lên các dao động hoạt động – trông giống như đồ thị điện não đồ (EEG). Có lúc, các phản ứng đột ngột ngắt quãng, sau đó là một đợt năng lượng ngắn hiện trên biểu đồ. Theo Jordan, nhóm nghiên cứu vẫn chưa hiểu hết lý do tại sao organoid phản ứng như vậy.

Kích thích điện là bước đầu tiên trong mục tiêu lớn hơn: kích hoạt quá trình học hỏi trong neuron của biocomputer, để chúng có thể tự thích nghi và thực hiện nhiệm vụ. Jordan giải thích: “Với AI, nguyên tắc luôn giống nhau: bạn đưa vào dữ liệu, bạn mong một đầu ra”.

Thách thức: Duy trì sự sống cho “máy tính sống”

Với máy tính thông thường, chỉ cần cung cấp nguồn điện. Nhưng với biocomputer, việc duy trì sự sống phức tạp hơn nhiều. Giáo sư Simon Schultz, Giám đốc Trung tâm Công nghệ Thần kinh tại Imperial College London, chỉ ra rằng organoid không có mạch máu. Trong khi đó, não người có hệ thống mạch máu dày đặc để cung cấp dinh dưỡng. Đây là thách thức lớn mà các nhà khoa học chưa vượt qua.

Điều này đồng nghĩa, khi nói một máy tính “chết”, trong trường hợp của wetware, điều đó mang nghĩa đen. Trong bốn năm qua, FinalSpark đã đạt tiến bộ khi kéo dài tuổi thọ organoid lên đến bốn tháng. Tuy vậy, có những phát hiện đặc biệt: trước khi “chết”, đôi khi organoid phát ra các đợt hoạt động mạnh, tương tự như hiện tượng gia tăng nhịp tim và sóng não ở con người vào những phút cuối đời mà chúng ta hay gọi là "hồi quang phản chiếu". Trong 5 năm, nhóm đã ghi nhận từ 1.000 đến 2.000 trường hợp như vậy.

Theo Schultz, cách tiếp cận hợp lý là không nên nhìn organoid bằng sự sợ hãi. Ông nhấn mạnh: “Chúng chỉ là máy tính làm từ vật liệu khác”.

Ứng dụng thực tế và viễn cảnh tương lai

FinalSpark không phải đơn vị duy nhất bước vào lĩnh vực biocomputing. Năm 2022, công ty Cortical Labs (Úc) công bố thành công khi khiến neuron nhân tạo chơi trò chơi Pong. Tại Mỹ, các nhà nghiên cứu Đại học Johns Hopkins phát triển “não mini” để nghiên cứu quá trình xử lý thông tin, đặc biệt trong bối cảnh phát triển thuốc cho các bệnh thần kinh như Alzheimer và tự kỷ.

Tiến sĩ Lena Smirnova, phụ trách nghiên cứu tại Johns Hopkins, cho rằng wetware rất thú vị về mặt khoa học nhưng vẫn ở giai đoạn sơ khai. Theo bà, công nghệ này khó có thể thay thế chip silicon, mà nên bổ sung cho nó, đồng thời mở rộng nghiên cứu y học và giảm sử dụng động vật thí nghiệm.

Giáo sư Schultz cũng đồng tình rằng biocomputing sẽ khó cạnh tranh trực tiếp với silicon, nhưng có thể tìm thấy những ứng dụng ngách.

Dù còn xa ứng dụng thực tiễn, nhưng với Jordan và cộng sự, sức hấp dẫn đến từ chính nguồn cảm hứng khoa học viễn tưởng. Jordan thừa nhận: “Tôi luôn là fan của khoa học viễn tưởng. Ngày xưa, khi xem phim hay đọc sách, tôi thấy tiếc vì cuộc đời mình không giống như trong đó. Nhưng giờ đây, tôi có cảm giác mình đang sống trong câu chuyện, và cùng viết nên nó”.