Биокомпьютеры на основе человеческого "мини-мозга" скоро смогут управлять роботами
Китайские учёные разрабатывают биокомпьютер, объединяющий органоиды человеческого мозга на чипе, с целью управления человекоподобными роботами. Интерфейс, получивший название MetaBOC, позволит нейронам получать, интерпретировать и реагировать на электрические сигналы. Это не только позволит роботам выполнять различные задачи автономно, но и повысит их способность к обучению.
Интерфейсы "мозг-на-чипе" - это относительно новая концепция, в которой клетки человеческого мозга выращиваются на кремниевых чипах для управления электронными или бионическими устройствами. Даже на ранней стадии развития эти биокомпьютеры, включающие человеческие нейроны, обучаются быстрее и с гораздо меньшими затратами энергии, чем искусственные нейронные сети, используемые в настоящее время для ИИ.
Один из первых концептов такого типа был разработан в Австралии в рамках проекта DishBrain. Исследователи вырастили около 800 000 нейронов на чипе и поместили их в симулированную среду. Пройдя через циклы обучения с подкреплением, кластер нейронов научился играть в игру pong (виртуальный пинг-понг) всего за 5 минут.
"Эти биологические системы, даже такие базовые и несовершенные, как сейчас, все равно превосходят лучшие алгоритмы глубокого обучения", — рассказал изданию New Atlas Бретт Каган, главный научный сотрудник компании Cortical Labs, разработавшей концепцию DishBrain. Позже появились похожие системы, такие как Brainoware от Университета Индианы и Wetware computing от швейцарского стартапа FinalSpark.
Проект MetaBOC направлен на интеграцию интерфейса "мозг-на-чипе" в человекоподобных роботов. Одна из целей концепции — интегрировать органоиды человеческого мозга в искусственные тела. Проект разрабатывается исследователями из Тяньцзиньского университета и Южного университета науки и технологий в Китае. Следует отметить, что изображения, на которых изображены маленькие роботы с мини-мозгами (как на фото ниже), являются лишь макетами, представляющими роботизированное применение нового интерфейса, а не реальными прототипами.
Органоиды, выращенные с помощью ультразвуковой стимуляции
Интерфейс, разработанный китайскими исследователями, состоит из двух частей: кремниевого чипа с электродами и органоида мозга, выращенного in vitro. Последний был создан с использованием человеческих плюрипотентных стволовых клеток для формирования трехмерных кластеров. В отличие от двухмерных клеточных культур, эти кластеры могут формировать сложные нейронные связи, сравнимые с таковыми в цельном мозге.
Чтобы развить способность принимать и реагировать на электрические сигналы, органоиды выращивали, стимулируя их низкоинтенсивным ультразвуком. Чип позволяет им принимать и отправлять сигналы и, таким образом, взаимодействовать с роботами, к которым он подключен, для выполнения физических задач, таких как обход препятствий и манипулирование объектами, среди прочего. "Он [интерфейс] использует кодирование, декодирование и обратную связь со стимулом для взаимодействия с внешней информацией", — объясняет Минг Донг из Тяньцзиньского университета в пресс-релизе.
Команда также планирует использовать искусственный интеллект для облегчения обработки информации. Кроме того, будет разработано программное обеспечение с открытым исходным кодом, которое будет выступать в качестве интерфейса между биокомпьютерами-на-чипе и другими электронными устройствами. По словам экспертов, это будет "первая в мире комплексная интеллектуальная система информационного взаимодействия "мозг-на-чипе" с открытым исходным кодом".
Возможность восстановления повреждений мозга
Помимо применения в робототехнике, исследователи считают, что их органоиды могут быть использованы для восстановления повреждений мозга. В другом исследовании, проведенном той же командой, было показано, что метод низкоинтенсивной ультразвуковой стимуляции значительно улучшил пролиферацию клеток-предшественников нейронов и созревание нейронов в органоидах коры головного мозга.
Для дальнейшего изучения своей гипотезы специалисты пересадили органоиды, обработанные ультразвуковой методикой, в поврежденную соматосенсорную кору взрослых мышей. Результат: пересаженные кластеры показали продвинутый уровень созревания и повышенную активность гамма-волн (связанную с высоким уровнем концентрации).
Кроме того, низкоинтенсивное ультразвуковое воздействие улучшило патологические нарушения в органоидных моделях, страдающих микроцефалией — состоянием, характеризующимся аномально маленьким черепом. Это говорит о том, что данная методика потенциально может стать методом лечения поражений мозга и нарушений его развития.
"Органоиды человеческого мозга представляют собой замечательную платформу для моделирования неврологических расстройств и перспективный подход к восстановлению мозга", — поясняют исследователи в своей статье. Однако это исследование все еще находится на ранней стадии, и многие вопросы (такие, как эффективность и безопасность процедуры) остаются без ответа.