Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе показали, что небольшие кластеры выращенной в лаборатории ткани мозга могут быть обучены решению инженерной задачи — балансировке виртуального шеста — с помощью тщательно разработанной электрической обратной связи. Этот экспериментальный образец демонстрирует, что нервная ткань в чашке Петри способна к адаптивному обучению, что может дать новые представления о неврологических заболеваниях и способности мозга к пластичности.
Эксперимент: Обучение Мозговых Органоидов Балансировке Шеста
В эксперименте использовались кортикальные органоиды — небольшие трехмерные структуры, выращенные из стволовых клеток мыши, имитирующие определенные аспекты ткани мозга. Эти органоиды не способны к мышлению или сознанию, но они могут посылать и принимать электрические сигналы, а их связи можно изменять посредством стимуляции. Задача состояла в управлении «тележкой-шестом» — симуляции, в которой виртуальная тележка движется влево или вправо, чтобы удерживать шарнирный шест в вертикальном положении.
Эта проблема, как известно, сложна для систем искусственного интеллекта, поскольку требует постоянных, тонких корректировок, а не просто одного правильного ответа. Органоиды были подключены к виртуальной среде, а их электрическая активность интерпретировалась как команды для перемещения тележки. Ключевым моментом была адаптивная обратная связь : когда органоид работал плохо, он получал короткий импульс электрической стимуляции. Алгоритм регулировал, какие нейроны получали эту стимуляцию, в зависимости от того, приводили ли похожие паттерны ранее к лучшему контролю.
Почему Это Важно: Понимание Пластичности Мозга и Заболеваний
Речь не идет о создании функциональных биокомпьютеров. Вместо этого, цель состоит в том, чтобы понять, как нейроны адаптируются для решения проблем. По словам Эша Роббинса, исследователя из Калифорнийского университета в Санта-Крузе: «Мы пытаемся понять фундаментальные принципы того, как нейроны могут быть адаптированно настроены для решения проблем. Если мы сможем выяснить, что движет этим в чашке Петри, это даст нам новые способы изучения того, как неврологические заболевания могут влиять на способность мозга к обучению».
Результаты были значительными. Органоиды с адаптивной обратной связью балансировали шест в 46% циклов, по сравнению с 2,3% для тех, которым не давали обратной связи, и 4,4% для тех, которым давали случайную стимуляцию. Это показывает, что нейронные связи ткани действительно могут быть настроены с помощью структурированной обратной связи.
Ограничения и Этические Соображения
Обучение органоида кратковременно. После всего 45 минут бездействия он возвращается к исходному уровню производительности. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на улучшении его памяти, возможно, путем повышения сложности. Дэвид Хаусслер, биоинформатик, участвовавший в исследовании, подчеркнул, что цель — продвинуть исследования мозга и лечить неврологические заболевания, а не заменять роботизированные контроллеры выращенной в лаборатории тканью.
Использование человеческих мозговых органоидов вызовет серьезные этические опасения, но на данный момент это исследование предлагает уникальное окно в фундаментальные механизмы пластичности мозга.
Данное исследование демонстрирует, что живые нейронные цепи могут быть адаптированно настроены посредством структурированной обратной связи, что может революционизировать наше понимание того, как мозг учится и адаптируется, и как неврологические заболевания нарушают эти процессы.
