«Нейроны в чашке» научились играть в видеоигру Pong

Ученые объединили нейроны с электродами в систему, которую назвали DishBrain — «мозг в чашке». Затем эту систему научили играть в компьютерную игру Pong — симуляцию настольного тенниса, которую уже давно используют как модель для машинного обучения. В этой игре мяч летает по экрану, и задача игрока — отбить его «ракеткой», когда он приближается к одной стороне экрана. На примере игры исследователи обнаружили, что клетки «мозга в чашке» могут проявлять врожденный интеллект и менять свое поведение со временем.

Для создания DishBrain исследователи использовали стволовые клетки мышей и человека: около 800 тысяч нейронов вырастили поверх электродного массива. Электроды могли как стимулировать клетки, так и получать сигналы от них. Движение мяча кодировалось специальной программой SpikeStream, благодаря сигналам с электродов нейроны узнавали о том, где находится мяч. В зависимости от того, с какой стороны поступал сигналы, нейроны определяли положение мяча в пространстве. А частота сигнала говорила о расстоянии от «ракетки» до мяча.

Понимая, где находится мяч, нейроны перемещали виртуальную «ракетку» по экрану, чтобы его отбить. Информация о положении «ракетки» кодировалась и отправлялась на электроды: локализация нейронной активности указывала на направление движения, а частота — на скорость.

Клетки научились игре благодаря «принципу свободной энергии», который разработал соавтор работы нейробиолог из Университетского колледжа Лондона Карл Фристон. Этот принцип предполагает, что клетки будут стараться свести к минимуму непредсказуемость окружающей среды — энтропию. Поскольку в DishBrain, в отличие от мозга, нет системы вознаграждения, она училась отбивать мяч не за дофамин, а просто для того, чтобы «мир» стал понятнее и определеннее.

Когда нейроны промахивались, система подавала на них хаотичные электрические сигналы разной длины — то есть о предсказуемости не было речи. А если отбить мяч получалось, в ответ приходил краткий и одинаковый сигнал. В итоге система реорганизовывала свою работу так, чтобы принимать меньше случайных решений — и, как следствие, начинала лучше играть.

Хотя ученые и раньше размещали нейроны на многоэлектродных массивах и считывали их активность, это первый случай, когда клетки стимулируются структурированным и осмысленным образом.

«Мы показали, что можем взаимодействовать с живыми биологическими нейронами так, чтобы заставить их изменять свою активность — это приводит к чему-то, напоминающему интеллект», — говорит первый автор работы Бретт Каган, главный научный сотрудник биотехнологического стартапа Cortical Labs, который ставит задачу создать новое поколение биологических компьютерных чипов.

По словам авторов, с помощью DishBrain можно изучать разные нейропатологии, например, деменцию и эпилепсию. Теперь ученые хотят выяснить, как будут вести себя нейроны под действием алкоголя.

«Мы пытаемся построить кривую реакции на дозу для этанола — по сути напоить их и посмотреть, не станут ли они играть хуже, как когда люди напиваются», — говорит Каган.

Нейроны млекопитающих можно контролировать ультразвуком