Una computadora wetware es una computadora orgánica (que también puede ser conocida como cerebro orgánico artificial o neurocomputadora ) compuesta de material orgánico " wetware " como neuronas "vivas" . [1] Las computadoras Wetware compuestas de neuronas se diferencian de las computadoras convencionales porque utilizan materiales biológicos y ofrecen la posibilidad de una computación con un consumo energético sustancialmente mayor. [2] Si bien una computadora con software húmedo todavía es en gran medida conceptual, ha habido un éxito limitado en la construcción y la creación de prototipos, lo que ha actuado como una prueba de la aplicación realista del concepto a la informática en el futuro. Los prototipos más destacados han surgido de las investigaciones realizadas por el ingeniero biológico William Ditto durante su estancia en el Instituto de Tecnología de Georgia . [3] Su trabajo en la construcción de una neurocomputadora simple capaz de realizar sumas básicas a partir de neuronas de sanguijuela en 1999 fue un descubrimiento significativo para el concepto. Esta investigación fue un ejemplo principal que impulsó el interés en la creación de estos cerebros construidos artificialmente, pero aún orgánicos .
El concepto de wetware es una aplicación de interés específico al campo de la fabricación de ordenadores. La ley de Moore , que establece que el número de transistores que se pueden colocar en un chip de silicio se duplica aproximadamente cada dos años, ha sido un objetivo para la industria durante décadas, pero a medida que el tamaño de los ordenadores sigue disminuyendo, la capacidad de cumplir este objetivo se ha vuelto más difícil y amenaza con estancarse. [4] Debido a la dificultad para reducir el tamaño de las computadoras debido a las limitaciones de tamaño de los transistores y los circuitos integrados , el software húmedo proporciona una alternativa no convencional . Una computadora de software húmedo compuesta de neuronas es un concepto ideal porque, a diferencia de los materiales convencionales que operan en binario (encendido/apagado), una neurona puede cambiar entre miles de estados, alterando constantemente su conformación química y redirigiendo pulsos eléctricos a través de más de 200.000 canales en cualquier de sus numerosas conexiones sinápticas. [3] Debido a esta gran diferencia en las configuraciones posibles para cualquier neurona, en comparación con las limitaciones binarias de las computadoras convencionales, las limitaciones de espacio son mucho menores. [3]
El concepto de software húmedo es distinto y poco convencional y tiene una ligera resonancia tanto con el hardware como con el software de las computadoras convencionales. Mientras que el hardware se entiende como la arquitectura física de los dispositivos computacionales tradicionales, construidos a partir de circuitos eléctricos y placas de silicona, el software representa la arquitectura codificada de almacenamiento e instrucciones. Wetware es un concepto independiente que utiliza la formación de moléculas orgánicas, en su mayoría estructuras celulares complejas (como neuronas), para crear un dispositivo computacional como una computadora. En el software húmedo, las ideas de hardware y software están entrelazadas y son interdependientes. La composición molecular y química de la estructura orgánica o biológica representaría no solo la estructura física del software húmedo sino también el software, siendo continuamente reprogramada por cambios discretos en los pulsos eléctricos y gradientes de concentración química a medida que las moléculas cambian sus estructuras para comunicar señales. La capacidad de respuesta de una célula, proteínas y moléculas a conformaciones cambiantes, tanto dentro de sus estructuras como a su alrededor, une la idea de programación interna y estructura externa de una manera que es ajena al modelo actual de arquitectura informática convencional. [1]
La estructura del wetware representa un modelo donde la estructura externa y la programación interna son interdependientes y unificadas; es decir, cambios en la programación o comunicación interna entre moléculas del dispositivo representarían un cambio físico en la estructura. La naturaleza dinámica del wetware se basa en la función de estructuras celulares complejas en los organismos biológicos. La combinación de "hardware" y "software" en un sistema dinámico e interdependiente que utiliza moléculas y complejos orgánicos para crear un modelo no convencional para dispositivos computacionales es un ejemplo específico de biorrobótica aplicada .
En muchos sentidos, las células pueden verse como su forma de software húmedo natural, similar al concepto de que el cerebro humano es el sistema modelo preexistente para el software húmedo complejo. En su libro Wetware: A Computer in Every Living Cell (2009), Dennis Bray explica su teoría de que las células, que son la forma de vida más básica, no son más que una estructura computacional muy compleja, como una computadora. Para simplificar uno de sus argumentos, una célula puede verse como un tipo de computadora, utilizando su arquitectura estructurada. En esta arquitectura, muy parecida a una computadora tradicional, muchos componentes más pequeños operan en conjunto para recibir entradas, procesar la información y calcular una salida. En un análisis demasiado simplificado y no técnico, la función celular se puede dividir en los siguientes componentes: la información y las instrucciones para su ejecución se almacenan como ADN en la célula, el ARN actúa como una fuente de información claramente codificada, procesada por ribosomas y otros factores de transcripción. acceder y procesar el ADN y producir una proteína. El argumento de Bray a favor de ver las células y las estructuras celulares como modelos de dispositivos computacionales naturales es importante al considerar las teorías más aplicadas del software húmedo a la biorrobótica. [1]
Wetware y biorobótica son conceptos estrechamente relacionados, que se basan en principios generales similares. Una estructura biorobótica se puede definir como un sistema modelado a partir de un complejo o modelo orgánico preexistente, como células (neuronas) o estructuras más complejas como órganos (cerebro) u organismos completos. [5] A diferencia del wetware, el concepto de biorrobótica no siempre es un sistema compuesto por moléculas orgánicas, sino que podría estar compuesto por material convencional diseñado y ensamblado en una estructura similar o derivada de un modelo biológico. La biorrobótica tiene muchas aplicaciones y se utiliza para abordar los desafíos de la arquitectura informática convencional. Conceptualmente, diseñar un programa, robot o dispositivo computacional a partir de un modelo biológico preexistente, como una célula, o incluso un organismo completo, proporciona al ingeniero o programador los beneficios de incorporar a la estructura las ventajas evolutivas del modelo. [6]
En 1999, William Ditto y su equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad Emory crearon una forma básica de computadora húmeda capaz de realizar sumas simples aprovechando las neuronas sanguijuelas . [3] Las sanguijuelas se utilizaron como organismo modelo debido al gran tamaño de su neurona y la facilidad asociada con su recolección y manipulación. Sin embargo, estos resultados nunca se publicaron en una revista revisada por pares, lo que generó dudas sobre la validez de las afirmaciones. La computadora pudo completar la suma básica mediante sondas eléctricas insertadas en la neurona. Sin embargo, la manipulación de corrientes eléctricas a través de las neuronas no fue un logro trivial. A diferencia de la arquitectura informática convencional, que se basa en estados binarios de encendido/apagado, las neuronas son capaces de existir en miles de estados y comunicarse entre sí a través de conexiones sinápticas, cada una de las cuales contiene más de 200.000 canales. [7] Cada uno puede cambiarse dinámicamente en un proceso llamado autoorganización para formar y reformar constantemente nuevas conexiones. Un programa informático convencional llamado pinza dinámica, capaz de leer los pulsos eléctricos de las neuronas en tiempo real e interpretarlos, fue escrito por Eve Marder , neurobióloga de la Universidad Brandeis . Este programa se utilizó para manipular las señales eléctricas que se ingresan en las neuronas para representar números y comunicarse entre sí para devolver la suma. Si bien esta computadora es un ejemplo muy básico de una estructura de software húmedo, representa un pequeño ejemplo con menos neuronas que las que se encuentran en un órgano más complejo. Ditto cree que al aumentar el número de neuronas presentes, las señales caóticas enviadas entre ellas se autoorganizarán en un patrón más estructurado, como la regulación de las neuronas del corazón a un latido constante que se encuentra en los humanos y otros organismos vivos. [3]
Después de su trabajo en la creación de una computadora básica a partir de neuronas sanguijuelas , Ditto continuó trabajando no solo con moléculas orgánicas y software húmedo, sino también en el concepto de aplicar la naturaleza caótica de los sistemas biológicos y las moléculas orgánicas a puertas lógicas y materiales convencionales . Los sistemas caóticos tienen ventajas para generar patrones y calcular funciones de orden superior como memoria, lógica aritmética y operaciones de entrada/salida . [8] En su artículo Construcción de un chip de computadora caótico, Ditto analiza las ventajas en la programación del uso de sistemas caóticos, con su mayor sensibilidad para responder y reconfigurar puertas lógicas en su chip caótico conceptual. La principal diferencia entre un chip de computadora caótico y un chip de computadora convencional es la reconfigurabilidad del sistema caótico. A diferencia de un chip de computadora tradicional, donde un elemento de matriz de puertas programables debe reconfigurarse mediante la conmutación de muchas puertas lógicas de propósito único, un chip caótico puede reconfigurar todas las puertas lógicas mediante el control del patrón generado por el elemento caótico no lineal. [8]
La biología cognitiva evalúa la cognición como una función biológica básica. W. Tecumseh Fitch , profesor de biología cognitiva en la Universidad de Viena , es un destacado teórico de las ideas de intencionalidad celular. La idea es que no sólo los organismos completos tienen un sentido de "alrededor" de la intencionalidad, sino que las células individuales también tienen un sentido de intencionalidad a través de la capacidad de las células para adaptarse y reorganizarse en respuesta a ciertos estímulos. [9] Fitch analiza la idea de nanointencionalidad, específicamente en lo que respecta a las neuronas, en su capacidad de ajustar reordenamientos para crear redes neuronales. Analiza la capacidad de células como las neuronas para responder independientemente a estímulos como el daño como lo que él considera "intencionalidad intrínseca" en las células, y explica que "aunque se trata de un nivel mucho más simple que la intencionalidad en el nivel cognitivo humano, propongo que esta La capacidad básica de los seres vivos [respuesta a los estímulos] proporciona los elementos básicos necesarios para la cognición y la intencionalidad de orden superior". [9] Fitch describe el valor de su investigación en áreas específicas de la informática, como la inteligencia artificial y la arquitectura informática. Afirma que "si un investigador pretende crear una máquina consciente, hacerlo con interruptores rígidos (ya sean tubos de vacío o chips de silicio estáticos) es ladrar al árbol equivocado". [9] Fitch cree que un aspecto importante del desarrollo de áreas como la inteligencia artificial es el software húmedo con capacidad nanointencional y autónoma para adaptarse y reestructurarse.
En una revisión de la investigación antes mencionada realizada por Fitch, Daniel Dennett , profesor de la Universidad de Tufts, analiza la importancia de la distinción entre el concepto de hardware y software al evaluar la idea de wetware y material orgánico como las neuronas. Dennett analiza el valor de observar el cerebro humano como un ejemplo preexistente de software húmedo. Considera que el cerebro tiene "la competencia de una computadora de silicio para asumir una variedad ilimitada de funciones cognitivas temporales". [10] Dennett no está de acuerdo con Fitch en ciertas áreas, como la relación entre software/hardware y wetware, y lo que una máquina con wetware podría ser capaz de hacer. Dennett destaca la importancia de realizar más investigaciones sobre la cognición humana para comprender mejor los mecanismos intrínsecos mediante los cuales puede funcionar el cerebro humano y crear mejor una computadora orgánica. [10]
Se han desarrollado dispositivos cerebrales en un chip que "tienen como objetivo probar y predecir los efectos de agentes biológicos y químicos, enfermedades o fármacos en el cerebro a lo largo del tiempo". [11] Las computadoras Wetware pueden ser útiles para la investigación sobre enfermedades cerebrales y la salud/capacidades del cerebro (para probar terapias dirigidas al cerebro), [12] para el descubrimiento de fármacos , para probar ediciones del genoma e investigaciones sobre el envejecimiento cerebral . [ se necesitan citas adicionales ]
Las computadoras Wetware pueden tener implicaciones éticas sustanciales, [13] [ se necesitan citas adicionales ], por ejemplo, relacionadas con posibles potenciales de sensibilidad y sufrimiento y tecnología de doble uso. [ cita necesaria ]
Además, en algunos casos, el propio cerebro humano puede estar conectado como una especie de "wetware" a otros sistemas de tecnología de la información, lo que también puede tener grandes implicaciones sociales y éticas, [14] incluidas cuestiones relacionadas con el acceso íntimo al cerebro de las personas. [15] Por ejemplo, en 2021 Chile se convirtió en el primer país en aprobar una neuroley que establece derechos a la identidad personal, el libre albedrío y la privacidad mental. [dieciséis]
El concepto de insectos artificiales [17] puede plantear importantes cuestiones éticas, incluidas cuestiones relacionadas con la disminución de las poblaciones de insectos .
Es una cuestión abierta si los organoides cerebrales humanos podrían desarrollar un grado o forma de conciencia. Si podría adquirir su estatus moral con derechos y límites relacionados [ cita necesaria ] , o cómo, también pueden ser posibles preguntas futuras. Hay investigaciones sobre cómo se podría detectar la conciencia. [18] Dado que los organoides cerebrales pueden adquirir una función neuronal similar al cerebro humano, la experiencia subjetiva y la conciencia pueden ser factibles. Además, es posible que los adquieran al trasplantarlos a animales. Un estudio señala que, en varios casos, puede ser moralmente permisible "crear animales conscientes de sí mismos mediante el injerto de organoides cerebrales humanos, pero en ese caso, el estatus moral de dichos animales debe considerarse cuidadosamente". [19]
Si bien ha habido pocos avances importantes en la creación de una computadora orgánica desde la calculadora basada en neuronas desarrollada por Ditto en la década de 1990, la investigación continúa impulsando el campo y en 2023 investigadores de la Universidad de Illinois construyeron una computadora funcional. Urbana-Champaign utiliza 80.000 neuronas de ratón como procesador que puede detectar señales luminosas y eléctricas. [20] Proyectos como el modelado de rutas caóticas en chips de silicio de Ditto han hecho descubrimientos sobre formas de organizar chips de silicio tradicionales y estructurar la arquitectura de la computadora para que sea más eficiente y mejor estructurada. [8] Las ideas que surgen del campo de la biología cognitiva también ayudan a seguir impulsando descubrimientos sobre formas de estructurar sistemas para la inteligencia artificial, para imitar mejor los sistemas preexistentes en los humanos. [9]
En una computadora fúngica propuesta que utiliza basidiomicetos , la información se representa mediante picos de actividad eléctrica, se implementa un cálculo en una red de micelio y se realiza una interfaz a través de cuerpos frutales. [21]
La conexión de organoides cerebrales (incluido el software húmedo similar a una computadora) con otros tejidos nerviosos puede resultar factible en el futuro, [19] al igual que la conexión de neuronas físicas artificiales (no necesariamente orgánicas) y el control del tejido muscular . [22] [23] Los módulos externos de tejido biológico podrían desencadenar trenes paralelos de estimulación de regreso al cerebro. [24] Los dispositivos totalmente orgánicos podrían ser ventajosos porque podrían ser biocompatibles , lo que podría permitir su implantación en el cuerpo humano. [17] Esto puede permitir tratamientos de ciertas enfermedades y lesiones del sistema nervioso. [17]
Tres empresas se están centrando específicamente en la informática de software húmedo utilizando neuronas vivas:
Las tecnologías biodigitales proporcionan la base para un nuevo naturalismo basado en el crecimiento de organismos y sistemas naturales y sintéticos, y una ciencia innovadora con implicaciones políticas, éticas y educativas muy serias. La biologización de la información y la informática es menos obvia que la digitalización de la ciencia y hasta ahora sólo se encuentra en etapas muy tempranas, pero presagia una hibridación y una interfaz futuras que pueden ser revolucionarias.
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