|
Создают искусственный мозг из живых клеток
|
|
|
|
Компьютеры часто воспринимаются как искусственный мозг. Однако они и близко не так сложны и энергоэффективны, как человеческий мозг. ИИ потребляет огромное количество электроэнергии и постоянно требует все больше, бесконечно трансформируясь и развиваясь. Как же наша система электроснабжения сможет догнать будущее нейронных сетей и цифрового интеллекта? Возможно, ответ кроется в объединении живых клеток мозга с программируемой электронной системой.
|
|
|
|
Предыдущие попытки использовать настоящие нейроны в качестве мозга компьютера столкнулись с проблемами. Двумерные нейронные культуры — в которых сплющенные нейроны демонстрировали аномальные взаимодействия и экспрессию генов — не могли долго существовать, и эти структуры в конечном итоге не могли воспроизвести связи и активность, происходящие in vivo. Более совершенные нейронные сети in vitro пытались компенсировать некоторые из этих проблем, отражая структуру и функции мозга с помощью органоидов. Несмотря на некоторые улучшения, органоиды мозга (скопления стволовых клеток, модифицированные для превращения в нейроны) непостоянны и подвержены как гипоксии, так и некрозу.
|
|
|
|
Альтернативные трехмерные нейронные сети, известные как биологические нейронные сети (БНС), все еще могут быть жизнеспособным вариантом. Такая система в идеале должна представлять собой модель in vitro, которая восстанавливает сети мозга, может быть воспроизведена и действительно долговечна. Она также должна включать как плотные, так и разреженные нейронные связи (подобные тем, что существуют в гиппокампе), чтобы предотвратить одновременную передачу слишком большого объема данных. Стремясь создать синтез биологии и механизмов, исследователи Тянь-Мин Фу, Джеймс Штурм и Кумар Мритунджай из Принстонского университета использовали электроды и микроскопические металлические проволоки для создания трехмерного полимерного сетчатого каркаса, достаточно гибкого для того, чтобы десятки тысяч живых нейронов могли вырасти в сеть, способную работать с минимальными затратами энергии.
|
|
|
|
|
|
|
«Понимание сетевых структур и принципов работы мозга может помочь в разработке универсальных вычислительных систем с улучшенной эффективностью обработки данных и энергопотребления, а также дать представление о физиологии и патологии мозга», — заявили исследователи в исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Electronics.
|
|
|
|
Фу, Штурм и Мритунджай начали этот эксперимент, чтобы получить больше информации о других нерешенных вопросах, касающихся функционирования мозга, но вскоре увидели его потенциал как биологической нейронной сети, и так родилось устройство 3D-MIND (3D Micro-Instrumented Neural network Device). Вдохновившись оригами, исследователи первоначально создали устройство в двух измерениях, точно встроив электронные датчики, соответствующие соме нейрона, а затем сложив его в трехмерные слои. Затем нейроны были интегрированы в систему. Хотя это еще не было сделано с человеческими нейронами, нейроны крысы из гиппокампа — который имеет решающее значение для обучения и памяти — были извлечены и культивированы на каркасе.
|
|
|
|
Наконец, всё устройство было покрыто тонким гелевым покрытием. Защитное и практичное, это покрытие содержало белки, которые обеспечивали дополнительную поддержку нейронам в формировании прочных связей с глиальными клетками — клетками, которые не только удерживают эти нейронные структуры вместе, но и обеспечивают питательными веществами, выполняют иммунные функции, регулируют химические процессы, производят жировую изоляцию для аксонов, известную как миелин, и поддерживают чистоту окружающей среды для передачи сигналов.
|
|
|
|
В конечном итоге исследователи наблюдали, как нейроны располагаются и формируют связи в трёх измерениях по всей структуре. Эти нейроны также были достаточно стабильны, чтобы их можно было отслеживать в течение длительных периодов времени, и команде удалось зарегистрировать рост, развитие и потенциалы действия — электрические импульсы, которые нейроны используют для коммуникации.
|
|
|
|
Исследователи признают, что масштабирование этой системы будет сложной задачей, но она, безусловно, многообещающая, особенно по сравнению с современными энергозатратными сетями искусственного интеллекта.
|
|
|
|
«Интерфейсированная система может затем обеспечить физиологически значимое понимание трёхмерной сетевой связности мозга», — написала команда. «[Она] способна отслеживать трехмерную нейронную сеть и может быть полезна для понимания эффективности и универсальности вычислительных возможностей мозга».
|
|
|
|
Источник
|
