>>>Работа! Продавайте контент на сайте Vinegret! Узнай как!<<< ||| >>>Хочешь иметь свою мобильную версию сайта в Play Market? Узнай как!<<<
Минимозги, выращенные из нейронов человека и мыши, учатся играть в пинг-понг.

Минимозги, выращенные из нейронов человека и мыши, учатся играть в пинг-понг.

3 мин


Синтетический минимозг, сделанный из нейронов человека и мыши, успешно научился играть в видеоигру «Понг» после того, как исследователи подключили его к электродной матрице, управляемой компьютером. Это первый случай, когда клетки мозга, выделенные из организма, выполнили подобную задачу, что позволяет предположить, что такая способность к обучению не ограничивается только полностью неповреждённым мозгом, запертым внутри черепа животных.

В новом исследовании учёные вырастили синтетическую нейронную сеть поверх рядов электродов, размещённых внутри крошечного контейнера, который они назвали DishBrain. Компьютерная программа посылала электрические сигналы, которые активировали определённые участки нейронов. Эти сигналы отдавали нейронам приказы «играть» в ретро-видеоигру «Понг», которая включает в себя удары по движущейся точке или «шару» с помощью небольшой линии или «ракетки». Затем компьютерная программа передавала данные о производительности обратно в нейроны с помощью электрических сигналов, которые информировали клетки о том, попали они по мячу или нет.

Минимозги, выращенные из нейронов человека и мыши, учатся играть в пинг-понг.
Исследователи использовали электрические сигналы, чтобы научить клетки мозга играть в ретро-видеоигру Pong. Изображение: Shutterstock

Исследователи обнаружили, что всего за 5 минут нейроны уже начали изменять способ перемещения ракетки, чтобы увеличить частоту ударов по мячу. Это первый случай, когда искусственная биологическая нейронная сеть была обучена независимому выполнению целенаправленной задачи, пишут исследователи в новой статье, опубликованной 12 октября в журнале Neuron.

Новое исследование является первым, которое «явно ищет, создаёт, тестирует и использует синтетический биологический интеллект», сообщил Live Science ведущий автор исследования Бретт Каган (Brett Kagan), главный научный сотрудник Cortical Labs, частной компании в Мельбурне, Австралия. Исследователи надеются, что их работа сможет стать трамплином для совершенно новой области исследований.

Минимозги

Аппаратное обеспечение DishBrain, разработанное Cortical Labs, состоит из небольшого круглого контейнера шириной около 2 дюймов (5 сантиметров), внутри которого находится матрица, содержащая 1024 активных электрода, которые могут как отправлять, так и получать электрические сигналы. Учёные поместили смесь нейронов человека и мыши поверх этих электродов. Специалисты подстроили всё так, чтобы нейроны не просто создали новые связи и пути, но и в итоге превратились в сложную сеть клеток мозга, которая полностью покрыла электроды.

Мышиные клетки выращивали в культуре из крошечных нейронов, извлечённых из развивающихся эмбрионов. Нейроны человека были созданы с использованием плюрипотентных стволовых клеток — пустых клеток, способных превращаться в клетки любого другого типа — которые были получены из клеток крови и кожи, пожертвованных добровольцами.

Минимозги, выращенные из нейронов человека и мыши, учатся играть в пинг-понг.
Изображение гибридной сети нейронов поверх матрицы электродов, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Изображение: Cortical Labs

По словам Кагана, в общей сложности нейронная сеть содержала около 800 тыс. нейронов. Для контекста, это примерно такое же количество нейронов, как и в мозге пчелы, добавил он. Каган отметил, что невзирая на то, что синтетическая нейронная сеть была похожа по размеру на мозг мелких беспозвоночных, её простая двумерная структура получилась гораздо проще, чем у живого мозга, и поэтому её вычислительная мощность была немного меньше, чем у живого мозга.

Игра

По словам Кагана, во время экспериментов исследователи использовали новую компьютерную программу, известную как DishServer, в сочетании с электродами внутри DishBrain, чтобы создать «виртуальный игровой мир», в котором нейроны могли играть в «Понг». Это может показаться чем-то высокотехнологичным, но на самом деле это мало чем отличается от игры в видеоигру по телевизору.

Используя эту аналогию, массив электродов можно рассматривать как экран телевизора, где каждый отдельный электрод представляет собой пиксель на экране; компьютерную программу можно рассматривать как диск с игрой, который предоставляет собой код для игры; интерфейс нейрон-электрод в DishBrain можно рассматривать как игровую консоль и контроллеры, облегчающие игру; а нейроны можно рассматривать как человека, играющего в игру.

Когда компьютерная программа активирует определённый электрод, этот электрод генерирует электрический сигнал, который нейроны могут интерпретировать, подобно тому, как на экране загорается и становится видимым для человека, играющего в игру, пиксель. Активируя несколько электродов в шаблоне, программа может создать форму, в данном случае шар, который перемещается по матрице или «экрану телевизора».

Минимозги, выращенные из нейронов человека и мыши, учатся играть в пинг-понг.
Отредактированное микроскопическое изображение системы DishbBrain, показывающее многочисленные связи между клетками мозга человека и мыши. Изображение: Cortical Labs

Отдельная часть матрицы отслеживает электрические сигналы, испускаемые нейронами в ответ на сигналы «мяча». Затем эти нейронные сигналы могут быть интерпретированы компьютерной программой и использованы для управления «ракеткой» в виртуальном игровом мире. Эту область интерфейса нейрон-электрод можно рассматривать как игровой контроллер.

Если нейронные сигналы отражают те, которые двигают мяч, то ракетка ударит по мячу. Но если сигналы не совпадут, то произойдёт промах. Компьютерная программа посылает второй сигнал обратной связи управляющим нейронам, чтобы сообщить им, попали они по мячу или нет.

Обучение нейронов

Вторичный сигнал обратной связи можно рассматривать как систему вознаграждения, которую компьютерная программа использует, чтобы научить нейроны лучше отбивать мяч.

Без системы поощрения было бы очень трудно усилить желаемое поведение, например, удар по мячу, и препятствовать нежелательному поведению, например, непопаданию по мячу. Предоставленные сами себе, нейроны в DishBrain будут случайным образом перемещать ракетку, не обращая внимания на то, где находится мяч, поскольку для нейронов не имеет значения, попадут они по мячу или нет.

Минимозги, выращенные из нейронов человека и мыши, учатся играть в пинг-понг.
Бретт Каган (в центре) и генеральный директор Cortical Labs Хон Венг Чонг (справа) рядом с системой DishBrain в лаборатории. Изображение: Cortical Labs

Чтобы обойти эту проблему, исследователи обратились к теории, известной как принцип свободной энергии, «которая предполагает, что клетки на этом уровне пытаются свести к минимуму непредсказуемость окружающей их среды», — говорит соавтор исследования Карл Фристон (Karl Friston), нейробиолог-теоретик из Университетского колледжа Лондона (Великобритания). Фристон был первым исследователем, выдвинувшим идею принципа свободной энергии в статье 2009 года, опубликованной в журнале Trends in Cognitive Science.

В некотором смысле, «нейроны пытаются создать предсказуемую модель мира», — сказал Каган в интервью Live Science. Именно здесь вступает в действие вторичный сигнал обратной связи, сообщающий нейронам, попали они по мячу или промахнулись.

Когда нейроны успешно отбивают мяч, сигнал обратной связи передаётся с таким же напряжением/вольтажом и положением, что и сигналы, используемые компьютером для перемещения мяча. Но когда нейроны промахиваются по мячу, сигнал обратной связи подаётся со случайным напряжением и в нескольких местах. В соответствии с принципом свободной энергии нейроны хотят свести к минимуму количество случайных сигналов, которые они получают, поэтому они начинают изменять то, как они двигают «ракетку» по отношению к «мячу».

В течение 5 минут после получения этой обратной связи нейроны увеличили частоту ударов по мячу. Через 20 минут нейроны смогли организовать короткие розыгрыши, в ходе которых они непрерывно били по мячу, когда он отскакивал от «стен» в игре. На то, как быстро развивались нейроны, вы можете посмотреть в этой онлайн-симуляции.

Правописание уведомления вебмастера


Понравилось? Поделитесь с друзьями!

Включить уведомления Да Спасибо, не надо