Учени показват за първи път, че 800 000 мозъчни клетки в лабораторен съд, могат да изпълняват целенасочени задачи. В този случай,  свързани с компютър, те играят Pong, проста компютърна игра, подобна на тенис, която изисква удряне на топка с виртуална ракета. Изследователите имат намерение да проучат какво се случва, когато техният мозък "ин витро" е засегнат от лекарства и алкохол.

Изследователи от Университета Монаш са доказали, че групи от няколкостотин хиляди нервни клетки в лабораторен съд са в състояние да си взаимодействат и да си сътрудничат, за да учат и изпълняват обща задача. В експериментите тези системи са се научили да играят на класическа компютърна аркада, както пишат Брет Каган (Brett Kagan) и колегите му в статия, публикувана в списание Neuron.

Авторите създават биологични невронни мрежи "ин витро" с помощта на стволови клетки от гризачи и хора. Системата от около 800 000 клетки е отгледана върху масив от микроелектроди, , които могат както да ги стимулират, така и да разчитат тяхната активност и съответно да подават сигнали към компютър. Учените наричат  системата DishBrain - "мозък в епруветка" (Dish - чиния, Brain - мозък).

Компютърната игра Pong е прост двуизмерен аналог на пинг-понг, в който трябва да ударите виртуална топка с виртуална ракета, която служи като тест за способността на DishBrain да се адаптира и да обработва ефективно сетивна информация. С други думи, има ли способността да се обучава.

От ключово значение за това е обратната връзка, която невроните получават под формата на електрически сигнали, генерирани от специално разработения софтуер SpikeStream. Той позволява да се кодират движенията на игрална топка: електрическата стимулация отляво или отдясно на DishBrain показва позицията на топката в пространството, а честотата ѝ - разстоянието до нея. По същия начин се кодира и изходният сигнал: локализацията на невронната активност съответства на посоката на ракетата, а честотата ѝ - на нейната скорост.

_{Това е визуално представяне на симулираната среда на Pong, където активността на невроните се отразява с нарастване на височината на "ракетата". Кредит: Kagan et. al / Neuron}

Обратната връзка от електродите научава DishBrain как да върне топката, като кара клетките да действат така, сякаш самите те са виртуалната ракета.

DishBrain е много по-прост дори от най-примитивния мозък, той няма допамин или друга система за възнаграждение. Ето защо принципът на свободната енергия, според който живите системи се стремят да намалят до минимум ентропията, неопределеността на средата, изиграва такава роля.

_{Принцип на работа на DishBrain. Кредит: Kagan et al., 2022}

"Към клетките се прилага непредсказуем стимул и системата като цяло реорганизира дейността си, за да играе по-добре играта и да сведе до минимум случайността", обяснява Брет Каган. "Може да се каже, че успявайки да удари топката и получавайки предсказуема реакция, тя създава по-предсказуема среда за себе си."

Ако DishBrain сбърка играта, в отговор получава хаотични електрически сигнали с продължителност няколко секунди. От друга страна, ако невроните ударят виртуалната топка, те получават кратък и предсказуем сигнал в отговор. Този подход сработва - оказва се, че буквално за пет минути системата се научава да координира дейността на отделните клетки, адаптира се и успешно се научава да играе.

_{Изображение от сканиращ електронен микроскоп на невронна култура, която расте повече от шест месеца върху многоелектродна матрица с висока плътност. Няколко невронни клетки растат около периферията и са развили сложни мрежи, които покриват електродите. Credit Cortical Labs}

Системи като DishBrain могат да намерят най-широко приложение в бъдеще.

Констатациите също така предлагат възможността за създаване на алтернатива на тестовете върху животни, когато се изследва как новите лекарства или генните терапии реагират в тези динамични среди.

„Също така показахме, че можем да модифицираме стимулацията въз основа на това как клетките променят поведението си и да правим това в затворен цикъл в реално време“, коментира Каган.

Въпреки че и преди изследователи са успявали да монтират неврони върху мултиелектродни масиви и да разчитат тяхната активност от известно време, сега за първят път клетките са стимулирани по структуриран и смислен начин.

„В миналото са разработвани модели на мозъка според това как компютърните учени смятат, че мозъкът може да работи“, разказва Каган. „Това обикновено се основава на сегашното ни разбиране за информационните технологии."

„Показахме, че можем да взаимодействаме с живи биологични неврони по такъв начин, че да ги принудим да променят дейността си, което води до нещо, което прилича на интелигентност“, заявява д-р Брет Каган, който е  и главен научен директор на биотехнологичния стартъп Cortical Labs, който е посветен на изграждането на ново поколение биологични компютърни чипове.

Екипът е развълнуван от откритието, но това е само началото.

„Това е чисто нова, девствена територия. И ние искаме повече хора да се включат и да си сътрудничат, да използват системата, която сме изградили, за да изследваме по-нататък тази нова област на науката”, коментира д-р Хун Уен Чун (Hon Weng Chong), главен изпълнителен директор на Cortical Labs.

“In vitro neurons learn and exhibit sentience when embodied in a simulated game-world” 12 October 2022, Neuron.
DOI: 10.1016/j.neuron.2022.09.001

Watch Live Human Brain Cells in a Dish Learn To Play Pong, Cortical Labs