Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz wykazali, że małe skupiska wyhodowanej w laboratorium tkanki mózgowej można wytrenować tak, aby rozwiązywały problem inżynieryjny — równoważenie wirtualnego bieguna — przy użyciu starannie zaprojektowanego elektrycznego sprzężenia zwrotnego. Ten okaz eksperymentalny pokazuje, że tkanka nerwowa na szalce Petriego jest zdolna do uczenia się adaptacyjnego, co może dostarczyć nowego wglądu w choroby neurologiczne i zdolność mózgu do plastyczności.
Eksperyment: szkolenie organoidów mózgowych w utrzymywaniu równowagi na słupie
W eksperymencie wykorzystano organoidy korowe — małe trójwymiarowe struktury wyhodowane z mysich komórek macierzystych, które naśladują pewne aspekty tkanki mózgowej. Organelle te nie są zdolne do myślenia ani świadomości, ale mogą wysyłać i odbierać sygnały elektryczne, a ich połączenia można zmieniać poprzez stymulację. Wyzwanie polegało na sterowaniu „wózkiem z rurami” – symulacją, w której wirtualny wózek porusza się w lewo lub w prawo, aby utrzymać przegubowy słup w pozycji pionowej.
Problem ten jest niezwykle trudny w przypadku systemów sztucznej inteligencji, ponieważ wymaga ciągłych, subtelnych korekt, a nie tylko jednej poprawnej odpowiedzi. Organoidy połączono ze środowiskiem wirtualnym, a ich aktywność elektryczną zinterpretowano jako polecenie poruszania wózkiem. Kluczem było adaptacyjne sprzężenie zwrotne : gdy organoid działał słabo, otrzymywał krótki impuls stymulacji elektrycznej. Algorytm dostosował, które neurony otrzymały tę stymulację, w zależności od tego, czy podobne wzorce zapewniały wcześniej lepszą kontrolę.
Dlaczego to ma znaczenie: zrozumienie plastyczności i chorób mózgu
Nie mówimy tu o tworzeniu funkcjonalnych biokomputerów. Zamiast tego celem jest zrozumienie, w jaki sposób neurony przystosowują się do rozwiązywania problemów. Według Asha Robbinsa, badacza z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz: „Próbujemy zrozumieć podstawowe zasady adaptacyjnego dostrajania neuronów w celu rozwiązywania problemów. Jeśli na szalce Petriego odkryjemy, co za tym stoi, zyskamy nowe sposoby badania, w jaki sposób choroby neurologiczne mogą wpływać na zdolność mózgu do uczenia się”.
Wyniki były znaczące. Organoidy z adaptacyjnym sprzężeniem zwrotnym równoważyły biegun w 46% cykli, w porównaniu z 2,3% w przypadku tych, którym nie podano sprzężenia zwrotnego, i 4,4% w przypadku tych, którym podano losową stymulację. To pokazuje, że tkankowe połączenia neuronowe w rzeczywistości można dostroić za pomocą ustrukturyzowanego sprzężenia zwrotnego.
Ograniczenia i względy etyczne
Trening organoidów jest krótkotrwały. Już po 45 minutach bezczynności powraca do pierwotnego poziomu wydajności. Przyszłe badania skupią się na poprawie jego pamięci, być może poprzez zwiększenie trudności. David Haussler, bioinformatyk zaangażowany w badanie, podkreślił, że celem jest postęp w badaniach mózgu i leczeniu chorób neurologicznych, a nie zastąpienie robotycznych kontrolerów tkanką wyhodowaną w laboratorium.
Wykorzystanie organoidów ludzkiego mózgu wzbudzi poważne wątpliwości etyczne, ale na razie to badanie oferuje unikalne spojrzenie na podstawowe mechanizmy plastyczności mózgu.
To badanie pokazuje, że żywe obwody nerwowe można adaptacyjnie dostrajać za pomocą ustrukturyzowanego sprzężenia zwrotnego, co może zrewolucjonizować nasze rozumienie sposobu uczenia się i adaptacji mózgu oraz tego, jak choroby neurologiczne zakłócają te procesy.
