Επιστήμονες καλλιέργησαν μίνι εγκεφάλους και τους εκπαίδευσαν να λύσουν ένα τεχνικό πρόβλημα
Ένα οργανοειδές κατά τη διάρκεια της ανάπτυξής του, στο οποίο παρατηρείται ο πρώιμος σχηματισμός νευρικού ιστού
Μικροσκοπικές μάζες εγκεφαλικού ιστού που καλλιεργήθηκαν στο εργαστήριο έδωσαν μια εντυπωσιακή απόδειξη ότι τα ζωντανά νευρωνικά κυκλώματα μπορούν να εκπαιδευτούν ώστε να επιλύσουν ένα κλασικό πρόβλημα ελέγχου, μέσω προσεκτικά σχεδιασμένης ηλεκτρικής ανατροφοδότησης.
Σε ένα σύστημα κλειστού βρόχου (closed-loop), όπου η ηλεκτρική διέγερση δινόταν με βάση την απόδοση, τα εγκεφαλικά οργανοειδή (organoids) βελτίωσαν σταδιακά την ικανότητά τους να ελέγχουν ένα ασταθές εικονικό «εκκρεμές» - γνωστό ως cartpole.
Η βελτίωση απέχει πολύ από τη δημιουργία ενός λειτουργικού υβριδικού βιο-υπολογιστή. Ωστόσο, ως απόδειξη αρχής, δείχνει ότι ένας μικροσκοπικός εγκεφαλικός ιστός στο εργαστήριο μπορεί να «μάθει» όταν λαμβάνει σωστά ερεθίσματα.
Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να καταλάβουν καλύτερα τον τρόπο με τον οποίοασθένειες όπως η άνοια ή το Πάρκινσον επηρεάζουν την ικανότητα του εγκεφάλου να προσαρμόζεται και να μαθαίνει.
Τι είναι το πείραμα
«Προσπαθούμε να κατανοήσουμε τα θεμελιώδη στοιχεία του πώς οι νευρώνες μπορούν να ρυθμιστούν προσαρμοστικά ώστε να επιλύουν προβλήματα», δήλωσε ο Ash Robbins, ερευνητής ρομποτικής και τεχνητής νοημοσύνης στο University of California, Santa Cruz.
«Αν καταφέρουμε να το αποκωδικοποιήσουμε σε ένα πειραματικό περιβάλλον, θα έχουμε νέους τρόπους να μελετήσουμε πώς οι νευρολογικές παθήσεις επηρεάζουν την ικανότητα του εγκεφάλου να μαθαίνει».
Ώριμα οργανοειδή που καλλιεργήθηκαν για το πείραμα
Τα οργανοειδή που χρησιμοποιήθηκαν δεν προήλθαν από ανθρώπινο ιστό, αλλά από βλαστοκύτταρα ποντικού, τα οποία καλλιεργήθηκαν ώστε να σχηματίσουν μικρές συστάδες φλοιϊκού ιστού ικανές για νευρωνική σηματοδότηση.
Δεν είχαν καμία πολυπλοκότητα που να πλησιάζει τη σκέψη ή τη συνείδηση, όμως μπορούσαν να στέλνουν και να λαμβάνουν ηλεκτρικά σήματα και να τροποποιούν τις εσωτερικές τους συνδέσεις ως απόκριση σε εξωτερικά ερεθίσματα.
Το «πρόβλημα του εκκρεμούς»
Το cartpole (εκκρεμές) είναι ένα κλασικό πρόβλημα ελέγχου. Μπορεί να παρομοιαστεί με την προσπάθεια διατήρησης ενός χάρακα σε κάθετη θέση πάνω σε μια παλάμη. Αν ο χάρακας δεν είναι απόλυτα ευθυγραμμισμένος, αρχίζει να γέρνει. Για να παραμείνει όρθιος, απαιτούνται συνεχείς, μικρές μετακινήσεις της βάσης στήριξης ώστε να διορθώνεται η κλίση του.
Διάγραμμα που απεικονίζει το πειραματικό πρωτόκολλο
Στην εικονική εκδοχή, ένα καρότσι κινείται αριστερά ή δεξιά για να διατηρήσει έναν αρθρωτό στύλο σε κατακόρυφη θέση. Μικρά λάθη συσσωρεύονται γρήγορα, καθιστώντας το πρόβλημα κλασικό παράδειγμα ασταθούς συστήματος ελέγχου.
Το cartpole χρησιμοποιείται συχνά στην έρευνα ενισχυτικής μάθησης, καθώς απαιτεί συνεχείς και λεπτές προσαρμογές - όχι απλώς μία σωστή απάντηση.
Πώς «εκπαιδεύτηκαν» οι μίνι εγκέφαλοι
Στο πείραμα, διαφορετικά μοτίβα ηλεκτρικής διέγερσης υποδήλωναν την κατεύθυνση και τον βαθμό κλίσης του στύλου. Οι αποκρίσεις των οργανοειδών μεταφράζονταν σε κίνηση του εικονικού καροτσιού αριστερά ή δεξιά.
Τα οργανοειδή δεν είχαν καμία επίγνωση του έργου. Οι επιστήμονες εξέταζαν αν οι νευρωνικές συνδέσεις μπορούσαν να ρυθμιστούν μέσω ανατροφοδότησης, δηλαδή αν σύντομες εκρήξεις ηλεκτρικής διέγερσης μπορούσαν να οδηγήσουν σε καλύτερο έλεγχο.
Κάθε προσπάθεια ισορροπίας διαρκούσε μέχρι ο στύλος να γείρει πέρα από προκαθορισμένη γωνία. Η απόδοση μετριόταν σε κύκλους πέντε επεισοδίων.
Οι συνθήκες ήταν τρεις: Χωρίς ανατροφοδότηση, με τυχαία ανατροφοδότηση και με προσαρμοστική ανατροφοδότηση βάσει προηγούμενης απόδοσης.
Στην προσαρμοστική συνθήκη, εάν η απόδοση υποχωρούσε σε σχέση με τον μέσο όρο των προηγούμενων 20 επεισοδίων, εφαρμοζόταν σύντομη υψηλής συχνότητας διέγερση. Ένας αλγόριθμος ρύθμιζε ποιοι νευρώνες θα δεχθούν το ερέθισμα, με βάση το αν παρόμοια μοτίβα είχαν οδηγήσει σε βελτίωση στο παρελθόν.
«Είναι σαν ένας τεχνητός προπονητής που λέει “κάτι δεν πάει καλά, δοκίμασε να το τροποποιήσεις έτσι”», εξηγεί ο Robbins.
Τα αποτελέσματα
Για να διαπιστωθεί αν η βελτίωση ήταν πραγματική και όχι τυχαία, οι ερευνητές όρισαν όριο σύγκρισης με έναν εντελώς τυχαίο ελεγκτή.
Τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά:
- Χωρίς ανατροφοδότηση: επιτυχία μόλις 2,3%
- Τυχαία ανατροφοδότηση: 4,4%
- Προσαρμοστική ανατροφοδότηση: 46%
«Όταν μπορούμε να επιλέγουμε ενεργά τα ερεθίσματα εκπαίδευσης, μπορούμε να διαμορφώσουμε το δίκτυο ώστε να λύνει το πρόβλημα», δήλωσε ο Robbins. «Αυτό που δείξαμε είναι βραχυπρόθεσμη μάθηση - μπορούμε να μεταφέρουμε το οργανοειδές από μια κατάσταση σε μια άλλη, πιο επιθυμητή, με συνέπεια».
Η μνήμη διαρκεί… 45 λεπτά
Η μάθηση ωστόσο, αποδείχθηκε βραχυπρόθεσμη. Αν τα οργανοειδή έμεναν ανενεργά για περίπου 45 λεπτά, «ξεχνούσαν» την εκπαίδευσή τους και επέστρεφαν σε βασικό επίπεδο απόδοσης.
Μελλοντικές έρευνες θα μπορούσαν να εξετάσουν τρόπους ενίσχυσης της μνήμης τους, πιθανώς αυξάνοντας την πολυπλοκότητά τους.
Οι ηθικές διαστάσεις
Ο βιοπληροφορικός David Haussler, επίσης από το University of California, Santa Cruz, τόνισε ότι ο στόχος δεν είναι η αντικατάσταση των υπολογιστών από εργαστηριακούς «εγκεφάλους».
«Θέλουμε να προωθήσουμε την έρευνα για τον εγκέφαλο και τη θεραπεία νευρολογικών ασθενειών, όχι να αντικαταστήσουμε ρομποτικούς ελεγκτές με ιστούς ζώων», δήλωσε, επισημαίνοντας ότι ειδικά η χρήση ανθρώπινων εγκεφαλικών οργανοειδών θα έθετε σοβαρά ηθικά ζητήματα.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Cell Reports και θεωρείται ένα σημαντικό βήμα στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα ζωντανά νευρωνικά δίκτυα μπορούν να προσαρμόζονται και να μαθαίνουν υπό ελεγχόμενες συνθήκες.