Celule ale creierului cultivate într-un vas, în laborator, au învăţat să joace ping-pong, dând dovadă de inteligenţă biologică, spun savanţii.
O echipă condusă de cercetători din Melbourne a demonstrat pentru prima dată că 800.000 de celule ale creierului care trăiesc într-un vas (DishBrain) pot îndeplini sarcini direcţionate în funcţie de obiective - în acest caz, un simplu joc de tenis, ping-pong. Rezultatele studiului au fost publicate, miercuri, în revista Neuron.
Cercetătorii şi-au propus în continuare să afle ce se întâmplă cu aceste celule ale creierului când sunt afectate de medicamente şi alcool.
„Am arătat că putem interacţiona cu neuronii biologici vii într-un asemenea mod care îi obligă să-şi modifice activitatea, ceea ce conduce la ceva care seamănă cu inteligenţa (umană)”, spune autorul principal, dr. Brett Kagan, directorul ştiinţific al start-up-ului biotehnologic Cortical Labs, dedicat construirii unei noi generaţii de cipuri de computere biologice.
„DishBrain oferă o abordare mai simplă pentru a testa modul în care funcţionează creierul şi pentru a obţine informaţii despre afecţiuni debilitante, cum ar fi epilepsia şi demenţa”, spune dr. Hon Weng Chong, directorul executiv al Cortical Labs.
[ot-video][/ot-video]
Acest videoclip arată că jocul de ping-pong este controlat de un strat de neuroni dintr-un vas - DishBrain. Credit: Kagan et. al / Neuron.
În timp ce oamenii de ştiinţă au reuşit de ceva timp să monteze neuroni pe reţele multi-electrozi şi să le citească activitatea, aceasta este prima dată când celulele au fost stimulate într-un mod structurat şi semnificativ.
„În trecut, modelele creierului au fost dezvoltate conform modului în care oamenii de ştiinţă cred că ar putea funcţiona creierul”, spune Kagan.
„Acest lucru se bazează de obicei pe înţelegerea noastră actuală asupra tehnologiei informaţiei, cum ar fi chip-urile din silicon. „Dar, într-adevăr, nu înţelegem cu adevărat cum funcţionează creierul”, a mai adăugat cercetătorul.
[ot-video][/ot-video]
Aceasta este o reprezentare vizuală a mediului Pong simulat în care activitatea neuronilor se reflectă în plăcile care cresc în înălţime. Credit: Kagan et. al / Neuron.
Construind în acest fel un model de creier viu din structuri de bază, oamenii de ştiinţă vor putea experimenta folosind funcţia reală a creierului, în locul modelelor analoge imperfecte cum sunt computerele.
Kagan şi echipa sa, de exemplu, vor experimenta în continuare pentru a vedea ce efect are alcoolul când este introdus în DishBrain.
„Încercăm să creăm o curbă de răspuns la doza cu etanol – practic să le ‚îmbătăm’ şi să vedem dacă joacă jocul mai prost, la fel ca atunci când oamenii beau”, spune Kagan.
Acest lucru poate oferi modalităţi complet noi de a înţelege ce se întâmplă în creierul uman.
„Această nouă capacitate de a învăţa culturile de celule să îndeplinească o sarcină în care ele manifestă simţire – prin controlul paletei pentru a returna prin detectare mingea– deschide noi posibilităţi pentru descoperiri care vor avea consecinţe de amploare pentru tehnologie, sănătate şi societate.” spune dr. Adeel Razi, directorul Laboratorului de neuroştiinţe computaţionale şi sisteme de la universitatea Monash.
„Ştim că există avantajul evolutiv al creierului nostru de a fi reglat pentru supravieţuire de-a lungul a sute de milioane de ani. Acum, se pare că e la îndemâna noastră unde am putea valorifica această inteligenţă biologică incredibil de puternică şi ieftină”, mai precizează dr. Razi.
Descoperirile oferă, totodată, posibilitatea de a crea o alternativă la testarea pe animale atunci când se investighează modul în care noile medicamente sau terapii genetice răspund în aceste medii dinamice.
„Am arătat, de asemenea, că putem modifica stimularea în funcţie de modul în care celulele îşi schimbă comportamentul şi facem asta într-o buclă închisă în timp real”, spune Kagan.
Pentru a efectua experimentul, echipa de cercetare a luat celule de şoarece din creierul embrionar, precum şi unele celule ale creierului uman derivate din celule stem şi le-a crescut pe nişte reţele de microelectrozi care le pot stimula şi citi activitatea.
Electrozii din stânga sau din dreapta unei matrice au fost porniţi pentru a comunica celulelor Dishbrain pe ce parte se afla mingea, în timp ce distanţa faţă de paletă a fost indicată de frecvenţa semnalelor. Feedback-ul de la electrozi a învăţat celulele DishBrain cum să returneze mingea, făcându-le să acţioneze ca şi cum ele însele ar fi paleta.
„Nu am fost niciodată capabili să vedem cum acţionează celulele într-un mediu virtual”, spune Kagan. „Am reuşit să construim un mediu în buclă închisă care poate citi ceea ce se întâmplă în celule, să le stimulăm cu informaţii semnificative şi apoi să schimbăm celulele într-un mod interactiv, astfel încât acestea să se poată modifica reciproc.
„Aspectul frumos şi de pionierat al acestei lucrări se bazează pe echiparea neuronilor cu senzaţii – prin feedback – şi, în mod esenţial, capacitatea de a acţiona asupra lumii lor”, spune profesorul Karl Friston, un teoretician în neuroştiinţă la UCL, Londraşi co-autor al studiului.
„În mod remarcabil, culturile au învăţat cum să-şi facă lumea mai previzibilă acţionând asupra ei. Acest lucru este remarcabil pentru că nu poţi preda acest tip de auto-organizare; pur şi simplu pentru că, spre deosebire de un animal de companie, aceste mini-creiere nu au simţul recompensei şi pedepsei”, spune el.
„Potenţialul translaţional al acestei lucrări este cu adevărat incitant: înseamnă că nu trebuie să ne îngrijorăm cu privire la crearea de „gemeni digitali” pentru a testa intervenţiile terapeutice. Acum avem, în principiu, mediul biomimetic suprem în care să testăm efectele medicamentelor şi variantelor genetice — un mediu constituit din exact aceleaşi elemente de calcul (neuronale) găsite în creierul uman”, spune profesorul Friston.
Cercetarea susţine, de asemenea, „principiul energiei libere” dezvoltat de profesorul Friston.
„Ne-am confruntat cu o provocare atunci când am gândit cum să instruim celulele să meargă pe o anumită cale. Nu avem acces direct la sistemele de dopamină sau orice altceva pe care l-am putea folosi pentru a oferi stimulente specifice în timp real, aşa că a trebuit să alegem un nivel mai profund: entropia informaţională — un nivel fundamental de informaţii despre modul în care sistemul s-ar putea autoorganiza pentru a interacţiona cu mediul său la nivel fizic", a precizat profesorul.
Principiul energiei libere propune ca celulele de la acest nivel să încerce să minimizeze imprevizibilitatea din mediul lor.
Conform cercetătorilor, o descoperire interesantă a fost că celulele din DishBrain nu s-au comportat ca sistemele pe bază de siliciu.
„Când le-am prezentat informaţii structurate neuronilor neîncorporaţi, am văzut că aceştia şi-au schimbat activitatea într-un mod care este foarte în concordanţă cu comportamentul lor ca sistem dinamic”, spune el.
„De exemplu, capacitatea neuronilor de a-şi schimba şi adapta activitatea ca urmare a experienţei creşte în timp, în concordanţă cu ceea ce vedem ]n rata de învăţare a celulelor”.
Cercetătorii spun că acesta este doar începutul
.„Acesta este un teritoriu nou-nouţ, virgin. Şi dorim ca mai mulţi cercetători să vină şi să colaboreze cu noi, să folosească sistemul pe care l-am construit pentru a explora în continuare această nouă zonă a ştiinţei”, spune el.
„După cum a spus unul dintre colaboratorii noştri, nu în fiecare zi te trezeşti şi poţi crea un nou domeniu al ştiinţei”, a mai precizat cercetătorul.
