Вчені виростили "міні-мозок" в лабораторії, а потім він розв'язав інженерну задачу — Органоїди мозку/Alysson Muotri/ University of California, San Diego

Дослідники з Каліфорнійського університету у Санта-Крузі виростили у лабораторії міні-мозок та навчили його розв’язувати інженерні задачі.

Кілька лабораторних зразків тканини головного мозку миші переконливо довели, що нейронні ланцюги можна спрямовувати для розв’язання класичних завдань керування шляхом ретельно структурованого зворотного зв’язку. У замкнутому середовищі, що забезпечує зворотній електричний зв’язок на основі показників продуктивності, кортикальні органоїди неухильно покращували власні навички розв’язання класичного інженерного еталонного завдання з утримання нестійкого віртуального полюса.

Ці покращення, однак, не гарантують функціонування гібридного біокомп’ютера. Однак сама концепція підтверджує, що нервова тканина у чашці Петрі здатна адаптивно налаштовуватись шляхом структурованого зворотного зв’язку. Це може допомогти науковцям з’ясувати, як неврологічні хвороби змінюють здатність мозку до пластичності.

“Ми намагаємося зрозуміти фундаментальні принципи того, як нейрони можуть адаптивно налаштовуватися для вирішення завдань. Якщо ми зможемо зрозуміти, що саме викликає це явище в лабораторних умовах, це відкриє нам нові можливості для вивчення того, як неврологічні захворювання можуть впливати на здатність мозку до навчання”, — пояснює дослідник робототехніки та штучного інтелекту Еш Роббінс.

Органоїди виростили зі стовбурових клітин миші. Вони культивувались таким чином, щоб утворювати невеликі скупчення кортикальної тканини, здатної передавати нейронні сигнали. Ці органоїди не настільки складні й розумні, щоб мати самостійне мислення. Однак вони здатні відправляти та приймати сигнали, а також змінювати внутрішні зв’язки під впливом зовнішньої стимуляції.

Експеримент проводився з використанням віртуального візка та стовпа на ньому. Різні схеми електричної стимуляції вказували напрям та кут нахилу стовпа. Суть проста — візок рухається вправо-вліво для утримання закріпленого на ньому шарнірами стовпа. При цьому є чітка точка незворотності, коли стовп занадто нахиляється. Щоб він залишався у вертикальному положенні, доводиться постійно коригувати положення візка. Невеликі помилки швидко накопичуються й призводять до того, що стовп критично нахиляється. Класичний приклад проблеми нестабільного керування.

Реакції органоїдів у цьому експерименті інтерпретувалися як сили, спрямовані вліво або вправо, для переміщення візка і протидії коливанням. Вони, звісно, не розуміли суті завдання. Дослідники перевіряли, чи можна регулювати нейронні зв’язки шляхом зворотного зв’язку. Іншими словами, чи можуть імпульси електричної стимуляції викликати зміни, які б підштовхували систему до кращого керування.

Кожна спроба утримати рівновагу стовпа тривала поки він не нахилявся за межі завданого кута. Ефективність відcтежувалась упродовж п’яти спроб. Органоїди розподілили по трьох групах: без зворотного зв’язку, з випадковим зворотним зв’язком, який подається на обрані нейрони, та з адаптивним зворотним зв’язком на основі попередніх результатів.

Ключовою виступала умова адаптивності. Якщо продуктивність протягом 5 спроб знижувалась порівняно із середнім показником останніх 20 спроб, система надсилала короткий імпульс високочастотної стимуляції. Алгоритм корегував те, які нейрони отримували ці імпульси залежно від того, чи супроводжувались до цього аналогічні схеми стимулювання поліпшеним управлінням.

“Можна уявити це як штучного тренера, який каже: “Ти робиш це неправильно, трохи підкоригуй ось так”. Ми вчимося, як найкраще подавати йому ці тренерські сигнали”, — зазначає Еш Роббінс.

Для визначення того, чи дійсно органоїди покращують власні навички розв’язання задачі і це не фактор випадкового везіння, дослідники встановили еталон, що базувався на тому, наскільки ефективно б працював цілком випадковий контролер. Якщо результати органоїдів перевершували такі, що могла б забезпечити випадковість, спроба вважалась успішною.

Показники рівня майстерності, досягнуті за кожною з умов, виявились дивовижними. Органоїди без зворотного зв’язку досягли цільових показників майстерності лише у 2,3% випадків. Ті, що мали випадковий зворотний зв’язок, демонстрували гарні результати у 4,4% випадків. Однак за умови безперервного адаптивного зв’язку органоїди успішно справлялись із завданням у 46% випадків.

“Ми продемонстрували короткострокове навчання, тобто ми можемо взяти органоїд в одному стані та перевести його в інший, до якого ми прагнемо, і ми можемо робити це послідовно”, — підкреслює Еш Роббінс.

Річ у тім, що якщо залишити органоїди у стані спокою усього на 45 хвилин, вони втрачають навички та повертаються до базового рівня. У майбутніх дослідженнях науковці хочуть розглянути способи покращення їхньої пам’яті, можливо шляхом ускладнення структури.

ITC раніше писав, що стенфордський інтерфейс “мозок-комп’ютер” розуміє слова в голові напряму — інші пристрої лише зчитували активність, а китайські інженери представили новий нейрокомп’ютер, що імітує мозок макаки.