Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе совершили прорыв в нейроинженерии, вырастив в лабораторных условиях миниатюрный мозг и обучив его решать сложную инженерную задачу. Эксперимент подтвердил, что нейронные цепи можно направлять на выполнение конкретных задач благодаря структурированной обратной связи.
Об этом сообщает ProIT
Как органоиды мозга научились контролировать виртуальный объект
Учёные вырастили несколько образцов ткани головного мозга мыши, которые сформировали кортикальные органоиды – скопления клеток, способных передавать нейронные сигналы. Эти органоиды не имеют собственной сознательности, но могут получать, передавать сигналы и адаптировать внутренние связи в ответ на внешние стимулы.
Во время эксперимента органоиды взаимодействовали с виртуальной моделью: на тележку был установлен столб, который нужно было удерживать в вертикальном положении. Специальные схемы электрической стимуляции задавали направление и угол наклона столба, а реакции органоидов интерпретировались как силы, которые двигают тележку и корректируют положение столба. Целью эксперимента было выяснить, может ли нервная ткань научиться управлять нестабильной системой через обратную связь.
«Мы пытаемся понять фундаментальные принципы того, как нейроны могут адаптивно настраиваться для решения задач. Если мы сможем понять, что именно вызывает это явление в лабораторных условиях, это откроет нам новые возможности для изучения того, как неврологические заболевания могут влиять на способность мозга к обучению», — объясняет исследователь робототехники и искусственного интеллекта Эш Роббинс.
Эффективность обучения и перспективы исследования
В ходе эксперимента органоиды были распределены на три группы: одна действовала без обратной связи, вторая — с случайным сигналом, третья — с адаптивной обратной связью, которая изменялась в зависимости от результатов предыдущих попыток. Система отправляла короткие высокочастотные импульсы в случае снижения эффективности, и алгоритм автоматически определял, какие нейроны стимулировать для улучшения управления.
Результаты показали, что органоиды без обратной связи добивались успеха лишь в 2,3% случаев, с случайной связью — в 4,4%, а при условиях адаптивной стимуляции — уже в 46% попыток. Это свидетельствует о способности нейронных структур к краткосрочному обучению и совершенствованию навыков благодаря внешним стимулам.
Однако эффект обучения длился недолго: после 45-минутного перерыва органоиды теряли приобретённые навыки и возвращались к исходному состоянию. Исследователи планируют в будущем усовершенствовать структуру органоидов, чтобы повысить их способность к сохранению памяти.
Изучение таких биокомпьютеров поможет лучше понять, как мозг изменяет свои свойства под воздействием неврологических заболеваний, а также станет основой для дальнейших исследований в области нейроинженерии и искусственного интеллекта. Материалы исследования опубликованы в журнале Cell Reports.