Дослідники з Каліфорнійського університету в Санта-Крузі здійснили прорив у нейроінженерії, виростивши у лабораторних умовах мініатюрний мозок та навчивши його вирішувати складну інженерну задачу. Експеримент підтвердив, що нейронні ланцюги можна спрямовувати на виконання конкретних завдань завдяки структурованому зворотному зв’язку.
Про це розповідає ProIT
Як органоїди мозку навчилися контролювати віртуальний об’єкт
Вчені виростили кілька зразків тканини головного мозку миші, які сформували кортикальні органоїди – скупчення клітин, здатних передавати нейронні сигнали. Ці органоїди не мають власної свідомості, але можуть отримувати, передавати сигнали та адаптувати внутрішні зв’язки у відповідь на зовнішні стимули.
Під час експерименту органоїди взаємодіяли з віртуальною моделлю: на візок було встановлено стовп, який потрібно було утримати у вертикальному положенні. Спеціальні схеми електричної стимуляції задавали напрямок і кут нахилу стовпа, а реакції органоїдів інтерпретувалися як сили, які рухають візок та коригують положення стовпа. Метою досліду було з’ясувати, чи може нервова тканина навчатися керувати нестабільною системою через зворотний зв’язок.
“Ми намагаємося зрозуміти фундаментальні принципи того, як нейрони можуть адаптивно налаштовуватися для вирішення завдань. Якщо ми зможемо зрозуміти, що саме викликає це явище в лабораторних умовах, це відкриє нам нові можливості для вивчення того, як неврологічні захворювання можуть впливати на здатність мозку до навчання”, — пояснює дослідник робототехніки та штучного інтелекту Еш Роббінс.
Ефективність навчання і перспективи дослідження
У ході експерименту органоїди розподілили на три групи: одна діяла без зворотного зв’язку, друга — із випадковим сигналом, третя — з адаптивним зворотним зв’язком, який змінювався залежно від результатів попередніх спроб. Система надсилала короткі високочастотні імпульси у разі зниження ефективності, і алгоритм автоматично визначав, які нейрони стимулювати для покращення керування.
Результати показали, що органоїди без зворотного зв’язку досягали успіху лише у 2,3% випадків, із випадковим зв’язком — у 4,4%, а за умов адаптивної стимуляції — вже у 46% спроб. Це свідчить про здатність нейронних структур до короткострокового навчання та вдосконалення навичок завдяки зовнішнім стимулам.
Однак ефект навчання тривав недовго: після 45-хвилинної перерви органоїди втрачали набуті навички та поверталися до вихідного стану. Дослідники планують у майбутньому вдосконалити структуру органоїдів, щоб підвищити їхню здатність до збереження пам’яті.
Вивчення таких біокомп’ютерів допоможе краще зрозуміти, як мозок змінює свої властивості під впливом неврологічних захворювань, а також стане базою для подальших досліджень у сфері нейроінженерії та штучного інтелекту. Матеріали дослідження опубліковані у журналі Cell Reports.