Qbik-club
Дата публикации:17.10.22 13:45; Автор:Евгений;Категория: Новости науки и техники; Теги:, , , ;

Массив из клеток живого мозга и электродов научился играть в Понг

Синтетический минимозг, изготовленный из нейронов человека и мыши, успешно научился играть в видеоигру "Понг" после того, как исследователи подключили его к управляемой компьютером матрице электродов. Это первый случай, когда клетки мозга, выделенные из организма, выполнили подобную задачу, сообщает портал LiveScience.

Массив из клеток живого мозга и электродов научился играть в Понг

В своей новой работе исследователи вырастили синтетическую нейронную сеть поверх рядов электродов, размёщенных внутри крошечного контейнера, который они назвали DishBrain. Компьютерная программа посылала электрические сигналы, которые активировали определённые участки нейронов. Эти сигналы приказывали нейронам "поиграть" в ретро-видеоигру "Понг", которая включает в себя удар по движущейся точке, или "мячу", маленькой линией, или "веслом", в 2D. Затем компьютерная программа исследователей направила данные обратно в нейроны с помощью электрических сигналов, которые информировали клетки о том, попали они по мячу или промахнулись.

Исследователи обнаружили, что всего за пять минут нейроны уже начали изменять способ перемещения весла, 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 Нейрон.

Новое исследование является первым, в котором «явно ищется, создаётся, тестируется и используется синтетический биологический интеллект», — рассказал Live Science ведущий автор исследования Бретт Каган, главный научный сотрудник частной компании Cortical Labs в Мельбурне, Австралия. Исследователи надеются, что их работа может стать трамплином для совершенно новой области исследований.

Мини-мозги

Аппаратное обеспечение DishBrain, разработанное компанией Cortical Labs, состоит из небольшого круглого контейнера шириной около 5-и сантиметров, внутри которого установлена матрица, содержащая 1024 активных электрода, которые могут как посылать, так и принимать электрические сигналы. Исследователи ввели смесь нейронов человека и мыши поверх этих электродов. После чего заставили их выращивать новые связи и проводящие пути, пока те не превратились в сложную сеть клеток мозга, которая полностью покрывала электроды.

Клетки мыши были выращены в культуре из крошечных нейронов, полученных из развивающихся эмбрионов. Человеческие нейроны были созданы с использованием плюрипотентных стволовых клеток — пустых клеток, способных превращаться в любой другой тип клеток, — которые были получены из клеток крови и кожи, пожертвованных добровольцами.

Изображение гибридной сети нейронов на сканирующем электронном микроскопе поверх электродной матрицы

Снимок гибридной сети нейронов на сканирующем электронном микроскопе поверх электродной матрицы.

По словам Кагана, в общей сложности нейронная сеть содержала около 800 000 нейронов. Для сравнения, это примерно такое же количество нейронов, как в мозге пчелы, добавил он. По словам Кагана, хотя синтетическая нейронная сеть по размеру была схожа с мозгом мелких беспозвоночных, её простая 2D-структура гораздо более проста, чем у живого мозга. Поэтому имеет несколько меньшую вычислительную мощность по сравнению с живым мозгом.

Игровой процесс

По словам Кагана, во время экспериментов исследователи использовали новую компьютерную программу, известную как DishServer, в сочетании с электродами внутри DishBrain для создания "виртуального игрового мира", в котором нейроны могли бы играть в "понг". Это может показаться высокотехнологичным, но на самом деле это мало чем отличается от видео игры, в которые мы играем на телевизоре.

Используя эту аналогию, массив электродов можно представить как экран телевизора, где каждый отдельный электрод представляет пиксель на экране. Компьютерную программу можно представить как игровой диск, который предоставляет код для воспроизведения игры. Интерфейс нейрон-электрод в DishBrain можно представить 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 пиксель на экране загорается и становится видимым для человека, играющего в игру. Активируя несколько электродов по шаблону, программа может создать форму, в данном случае шар, который перемещается по матрице или "экрану телевизора".

Отредактированное микроскопическое изображение системы DishbBrain, показывающее многочисленные связи между клетками мозга человека и мыши

Визуализация системы DishbBrain, показывающая многочисленные связи между клетками мозга человека и мыши.

Отдельная секция матрицы отслеживает электрические сигналы, испускаемые нейронами в ответ на сигналы "шарика". Эти нейронные сигналы затем могут быть интерпретированы компьютерной программой и использованы для маневрирования веслом в виртуальном игровом мире. Эту область интерфейса нейрон-электрод можно рассматривать как игровой контроллер.

Если нейронные сигналы отражают те, которые перемещают мяч, то весло ударит по мячу. Но если сигналы не совпадут, он будет пропущен. Компьютерная программа выдает второй сигнал обратной связи управляющим нейронам, чтобы сообщить им, попали они по мячу или нет.

Обучающие нейроны

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

Без системы поощрений было бы очень трудно усилить желаемое поведение, такое как попадание по мячу, и препятствовать неблагоприятному поведению, такому как пропуск мяча. Предоставленные самим себе, нейроны в DishBrain будут случайным образом перемещать весло, не обращая внимания на то, где находится мяч, потому что для нейронов не имеет значения, попали они по мячу или нет.

Бретт Каган и генеральный директор Cortical Labs Хон Венг Чонг рядом с системой DishBrain в лаборатории

Чтобы справиться с этой проблемой, исследователи обратились к теории, известной как принцип свободной энергии, «которая предполагает, что клетки на этом уровне пытаются свести к минимуму непредсказуемость окружающей среды», — говорится в заявлении соавтора исследования Карла Фристона, нейробиолога-теоретика из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. 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 LiveScience. Именно здесь вступает в игру вторичный сигнал обратной связи, который сообщает нейронам, попали они по мячу или промахнулись.

Когда нейроны успешно отбивают мяч, сигнал обратной связи подаётся с напряжением и местоположением, аналогичными сигналам, используемым компьютером для перемещения мяча. Но когда нейроны упускают мяч, сигнал обратной связи срабатывает при случайном напряжении и в нескольких местах. Согласно принципу свободной энергии, нейроны хотят свести к минимуму количество случайных сигналов, которые они получают, поэтому они начинают изменять способ перемещения "весла" по отношению к "мячу".

В течение пяти минут после получения этой обратной связи нейроны увеличивали частоту ударов по мячу. Через 20 минут нейроны смогли организовать короткие розыгрыши, в которых они постоянно били по мячу, когда он отскакивал от "стен" в игре. Вы можете увидеть, как быстро развивались нейроны в этой онлайн-моделировании.

Так же рекомендуем

Учёные вырастили мозг с «оптическими чашками». Как сообщают исследователи, им удалось вырастить мини-мозг со своими собственными «встроенными мини - глазами». Они успешно вырастили его из набора стволовых клеток.

Созданы первые в мире биороботы. Крошечные группы клеток в форме Pac-Man являются первыми в мире самовоспроизводящимися биологическими роботами.

Почему мозг расходует так много энергии? Общеизвестный факт, что мозг потребляет 20% энергии. И куда уходит такой огромный объём ресурсов организма — до сих пор было загадкой. Однако, согласно новому исследованию, в вашем мозгу может происходить... Элементарная утечка энергии!

Впервые удалось записать активность мозга человека во время смерти. На страницах издания Frontiers in Aging Neuroscience опубликованы данные ученых, которым удалось зафиксировать активность мозга у умирающего человека.

Понравилась публикация? Поделись ей с друзьями!

Понравился сайт? Подпишьсь на нас в соцсетях!

Мы в Telegram Мы Вконтакте Мы в Твиттер Мы на фейсбук Мы в одноклассниках
Опубликовать
Загрузка рекомендуемых публикаций