Ученые из Австралии показали, что скопления клеток мозга, выращенные в лабораторной посуде, можно научить играть в пинг-понг. Это первый случай, когда подобные клетки продемонстрировали способность выполнять задачи, направленные на достижение цели, и это по мнению авторов исследования открывает путь к новому пониманию работы нашего мозга.
Микроскопическое изображение нейронов в DishBrain с клетками, выделенными с помощью флуоресцентных маркеров. Cortical Labs
Система, которую команда назвала "DishBrain", представляет колонию из примерно 800 000 человеческих и мышиных нейронов, выращенных в условиях эксперимента и установленных на массивах микроэлектродов. Электроды воспринимают активность клеток и воздействуют на них электрическими сигналами. В предыдущих работах подобные установки использовались для изучения развития неврологических заболеваний, но впервые эти выращенные в лаборатории мозги были обучены выполнять конкретные задачи.
Команда фактически поместила клетки мозга в виртуально воссозданную классическую аркадную игру пинг-понг, в которой клетки сами выступают в роли ракетки и должны вовремя отбивать имитированный шарик. Электроды по обе стороны от DishBrain подавали сигналы, указывающие на местоположение шарика. При этом интенсивность сигналов могла нарастать или убывать, указывая расстояние шарика от ракетки. В итоге нейроны посылали свои сигналы и перемещая виртуальную ракетку отбивали шарик.
"Эта новая возможность научить клеточные культуры выполнять задачу, в которой они проявляют разумность - управляя ракеткой, чтобы вернуть шарик - открывает новые перспективы для научных экспериментов, которые будут иметь далеко идущие последствия для технологий, здоровья и общества", - сказал д-р Адиль. Рази, один из авторов проекта.
По вполне понятным причинам обучение DishBrain было делом весьма непростым. Обычно при обучении организма для выполнения конкретной задачи ключевую роль играют поощрение и наказание. Но такой метод не подходит для клеточных культур, поскольку у них нет дофаминовой системы, которая бы их мотивировала. Вместо этого исследователи воспользовались так называемым принципом свободной энергии.
Изображение сканирующего электронного микроскопа нейронов DishBrain, выращенных на массиве электродов. Cortical Labs
Согласно этой концепции, клетки такого уровня будут всегда пытаться свести к минимуму непредсказуемость окружающей среды. Так, например, если клетки мозга не смогли попасть ракеткой по шарику, система подавала в течение четырех секунд продолжительный сингал, а при каждом удачном попадании они получали короткий сигнал, после чего игра продолжалась. Таким образом, DishBrain научился играть в эту игру в течение пяти минут.
"Прекрасный и новаторский аспект этой работы заключается в том, чтобы наделить нейроны ощущениями - обратной связью - и, что очень важно, способностью действовать в соответствии со своим миром", - отметил профессор Карл Фристон, автор статьи. "Примечательно, что культуры научились изменять свой мир, воздействуя на него. Это удивительно, потому что научить такой самоорганизации невозможно; просто потому, что, в отличие от домашних животных, эти мини-мозги понятия не имеют о вознаграждении и наказании".
Этот эксперимент может показаться немного жутковатым и сомнительным с этической точки зрения, но другие ученые объясняют, что это не тот вид интеллекта, о плохом обращении с которым стоит беспокоиться.
"Не стоит так нервничать 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", - говорит профессор Тара Спайрс-Джонс, руководитель программы Исследовательского института деменции Великобритании.
По словам исследователей, новая работа позволит улучшить наше понимание работы человеческого мозга благодаря использованию более точной модели, чем компьютерные симуляции. В будущем эксперты намерены изучить как на нейроны влияют наркотики и алкоголь, в том числе, влияют ли они на способность клеток играть в пинг-понг.
Результаты данного эксперимента были представлены в издании Neuron.
Источники: Monash University, Scimex, journal Neuron.
1. (https://www.monash.edu/news/articles)
2. (https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(22)00806-6)
