Учёные вырастили в лаборатории «мини-мозг», который умеет обучаться

Маленький белый мячик движется по чёрному экрану. Ему навстречу устремляется квадратная платформа-ракетка, отбивая виртуальный удар. Компьютерная игра «Pong» — примитивный симулятор настольного тенниса, часто используемый учёными для изучения искусственного интеллекта. Только на сей раз «игрок дня» — не очередной робот и даже не подопытное животное… А выращенная в лаборатории культура нервных клеток — фактический «мини-мозг» без остального тела.

«Мозг на блюдечке»

800-тысячную культуру клеток головного мозга вырастили учёные биотехнологического стартапа «Cortical Labs», специализирующегося на создании биологических компьютерных систем. Также к работе подключились несколько научных университетов и институтов. Проекту дали меткое название «DishBrain» — что с английского переводится как «мозг в тарелке» или, если чуть более точно, «мозг в чашке Петри».

Схожие эксперименты по созданию миниатюрных мозгов из нервных клеток проводились и ранее, но виртуальные матчи «DishBrain» в компьютерный пинг-понг — первый случай, когда «мозг на блюдечке» научился выполнять конкретные задачи. И это очень большой шаг как для медицины, так и для создания в будущем компьютерных систем абсолютно нового типа — работающих не на «железе», а на живых мозгах.

«Думающую» культуру клеток учёные вырастили из стволовых клеток человека, способных развиваться в любые другие виды клеток, и мозговых клеток эмбрионов мышей.

Чтобы биологическая система могла взаимодействовать с реальностью, специалисты вырастили колонию нейронов в чашке Петри прямо на массиве микроэлектродов — устройстве, способном считывать активность клеток и проводить их электростимуляцию.

Так как «мозг на блюдечке» (пока) не имеет глаз и рук и потому не может видеть экран и нажимать на кнопки, информация об игре передавалась ему через электрические сигналы. Учёные разработали специальную программу, способную переводить импульсы от нервных клеток в движения ракетки на экране — и затем посылать обратно в нейроны информацию о произошедших в игре изменениях. Чтобы облегчить задачу, исследователи немного упростили сюжет игры: мячик не отбивался вторым игроком, а просто отлетал от виртуальных стен и отражался ракеткой, которой управлял «DishBrain».

Как происходил компьютерный матч?

На нейроны «мини-мозга» посылались электрические импульсы, по которым «DishBrain» мог ориентироваться в происходящем в игре. То, с какой стороны системы срабатывали электроды, показывало «мини-мозгу», на какой стороне экрана находился виртуальный мяч. А расстояние до ракетки транслировалось нервным клеткам с помощью сигналов разной частоты. Получая эти «входные данные», нейроны испускали в ответ электрические импульсы, которые переводились в движения ракетки на экране — и стремились таким образом отразить виртуальный удар.

Разумеется, чтобы «DishBrain» понял, что от него требуется по условиям игры и проявил заинтересованность в результатах, не обошлось и без дополнительного стимула — своеобразного метода «кнута и пряника».

Стимуляция «мозга на блюдечке» основывалась на выясненной ранее закономерности, согласно которой нервные клетки стремятся сделать свою среду обитания как можно более предсказуемой и избегают неожиданных изменений. Поэтому, когда нейроны успешно отбивали виртуальный мяч, в них через электроды подавался один и тот же хорошо организованный импульс (с частотой 100 Герц и длительностью 10 миллисекунд) и игра продолжалась с того же места, где остановилась, делая дальнейший полёт мяча более предсказуемым.

При промахе же нейронам сообщали хаотичный электрический сигнал низкой частоты длительностью 4 секунды — своеобразный поток электрического «белого шума» — и игра начиналась заново, при этом мяч вылетал из случайного места на экране, делая игру более непредсказуемой. Стоит отметить, что способность к обучению «DishBrain» проявлял только при наличии такой обратной связи. Оно и понятно — играть без стимула и человеку будет неинтересно.

Знакомясь с особенностями эксперимента, можно забеспокоиться об этичности такого обращения с «DishBrain». Однако специалисты утверждают, что переживать за ощущения «мини-мозга» при электростимуляции не стоит: он развит не настолько, чтобы испытывать по этому поводу какие-то осознанные переживания.

«Несмотря на то что эти нейроны могут менять свои реакции в зависимости от стимуляции, они не являются «интеллектом в тарелке в жанре научной фантастики». Это простые (хотя и очень интересные и важные с научной точки зрения) ответные реакции», — так прокомментировала проблему профессор Тара Спайрс-Джонс, руководитель программы Исследовательского института деменции Великобритании.

Возможности «мозга на блюдечке»

Нетерпеливым читателям пока не стоит ожидать от «мозга на блюдечке» умения решать сложные математические уравнения или пилотировать космические корабли — однако способностей «DishBrain» оказалось вполне достаточно, чтобы обучиться игре в «Pong» всего за 5 минут, значительно опередив по способностям «классический» искусственный интеллект.

Если электронной машине, чтобы обучиться играть в «Pong», нужно несколько тысяч матчей, то живой «мини-мозг» сумел усвоить правила всего за 5-10 сеансов. Что ещё важнее, спустя 20 минут игры «команда» нервных клеток уже играла гораздо лучше, чем изначально. По мнению авторов исследования, это доказывает, что «мини-мозг» способен развиваться, обучаться и реорганизовывать свои клетки наиболее удобным для работы образом.

Отдельно исследователи отмечают, что «DishBrain» научился заранее двигать ракетку в зависимости от того, куда направлялся летящий мяч, что показывает способность системы не только реагировать на стимулы — но и предугадывать дальнейшее развитие ситуации.

Учёные подтвердили, что с течением времени «мини-мозг» действительно начинает демонстрировать зачатки примитивного интеллекта, что делает его крайне перспективной системой для будущих исследований. Живые нейроны показали себя как целостная система, способная обрабатывать информацию в режиме реального времени, при этом потребляя крайне мало энергии, что делает технологию «DishBrain» ещё и экономически выгодной.

«Мы знаем, что наши мозги имеют эволюционное преимущество, так как совершенствовались в течение сотен миллионов лет в целях выживания. Теперь, похоже, мы получили возможность обуздать этот невероятно мощный и дешёвый биологический интеллект», — сообщает доктор Адиль Рази, участник исследования из австралийского Университета Монаша.

Группа учёных не остановилась на одной компьютерной игре — и уже приступила к испытаниям «DishBrain» в других симуляторах: например, в примитивной игре «Project Bolan», где виртуальный динозавр перепрыгивает препятствия. Как сообщается группой исследователей, учёные уже получили «весьма приятные предварительные результаты».

Алкоголь и лекарства

На компьютерных играх «совращение» экспериментального «мини-мозга» учёные не закончат. Следующим пунктом в графике опытов над «DishBrain» значатся алкоголь и различные лекарственные препараты: исследователи хотят проверить, каким образом повлияют эти химические вещества на поведение нейронной культуры.

Если «мини-мозг» будет «пьянеть», как человек, это подтвердит возможность использования «DishBrain» как полноценного аналога человеческого мозга в ходе медицинских экспериментов. На сходной культуре можно будет испытывать различные методы лечения заболеваний нервной системы вроде болезни Альцгеймера и эпилепсии.

Структуры, подобные «DishBrain», могут отлично заменить подопытных животных во время испытания новых лекарств и генной терапии — а также избавить учёных от необходимости создавать на компьютере «двойники» человеческой нервной системы для изучения функций мозга. Такая биологическая система могла бы приоткрыть очень многие тайны функционирования человеческого разума.

Перспективы

«По факту, мы не вполне понимаем, как работает мозг», — заметил ведущий научный сотрудник стартапа Бретт Каган, подчёркивая ценность открытия. Также он отметил, что культуру клеток «DishBrain» уже сейчас уместно назвать «мозгом киборга» — так как на основе сходной технологии в будущем можно будет наделить разумом биороботов и создать синтетический биологический интеллект, способный производить сложные вычисления и, вероятно, даже более «умный», чем существующие сейчас компьютеры, — благодаря абсолютно иному способу обучения.

Схожего мнения о создании «DoshBrain» и коллеги господина Кагана.

«Идея компьютера с живыми компонентами потрясающа и начинает претворяться в реальность», — сообщает Стив М. Поттер, профессор из Технологического института Джорджии. Подчёркивая, что способности, которые демонстрирует «мини-мозг», пока весьма примитивны, специалист тем не менее выделяет важность разработки для развития экспериментальной науки.

«Это тот тип полуживой животной модели, которую можно использовать для изучения всех видов механизмов в нервной системе, не только способности к обучению», — сообщает профессор.

Готовя «DishBrain» к перспективному будущему, специалисты усовершенствуют биологическую систему, сделав её доступнее и надёжнее.

Едва вошли в массовое употребление компьютерные системы, и даже ещё не до конца обрёл развитие электронный искусственный интеллект, а им на смену уже спешит синтетический разум, сделанный из живых биологических клеток. Сложно представить себе, что мы испытаем, когда однажды под корпусом нашего смартфона вместо микросхем и проводов окажутся настоящие нейроны — точно такие же, как и те, что управляют нашими сознаниями, способные к развитию, познанию нового и обучению…

Одно только ясно точно. Такой телефон однозначно не захочется царапать или ронять. А то как бы чего не вышло.

Источник