Живи неврони разпознават Брайловата азбука с висока точност

Лабораторно отгледани човешки мозъчни клетки разпознават символи от Брайловата азбука и управляват движенията на роботизирано куче в серия от нови биохибридни експерименти. Разработките на учени от Университета в Бристол и австралийската биотехнологична компания Cortical Labs комбинират жива нервна тъкан с традиционна електроника и компютърен софтуер. Целта на изследователите е да създадат ново поколение изчислителни системи, които използват естествената адаптивност на невроните при минимален разход на енергия.

Четене чрез допир и електрически импулси

Екип от Университета в Бристол, Великобритания, проверява дали миниатюрни лабораторни модели на човешкия преден мозък могат да обработват информация, получена чрез допир. Учените използват мозъчни органоиди с размери от няколко милиметра, всеки от които съдържа около 10 000 нервни и поддържащи клетки. Тези структури се поставят върху специални масиви от микроелектроди, чрез които специалистите подават електрически сигнали към тъканта и следят нейната реакция.

В рамките на експеримента тактилен сензор сканира букви от Брайловата азбука и преобразува допира в специфични модели на електрическа стимулация. След като сигналите преминат през живата тъкан, нейните реакции се анализират от стандартен алгоритъм за машинно обучение. При използване на един органоид системата разпознава правилната буква с точност от 61%. Когато учените комбинират данните от три органоида едновременно, успеваемостта скача до 83%, а системата става значително по-устойчива на изкуствено добавени смущения в сигнала.

Изследователите уточняват, че клетъчните структури не разбират езика и не се учат да четат така, както го прави човек чрез практика. Буквите се кодират по предварително зададен метод, а крайното им разпознаване е дело на компютърния софтуер. Въпреки това опитът доказва, че живата нервна тъкан успешно преобразува тактилна информация и запазва ключови характеристики, необходими за нейното разчитане.

Живи неврони в ролята на навигатор

Паралелно с британските си колеги, базираната в Мелбърн компания Cortical Labs свързва култивирани невронни мрежи директно с механични и виртуални системи. В една от демонстрациите си екипът използва активността на живи нервни клетки, за да направлява движенията на куче робот в ограничено пространство. Честотата, с която клетките генерират електрически импулси, се превръща в директни команди към машината.

Според съоснователя и главен изпълнителен директор на Cortical Labs Брет Кейгън съвременната роботика вече се справя отлично със сложни физически движения като ходене и бягане, но традиционните методи все още срещат трудности при взимането на самостоятелни решения кое действие и кога точно да бъде предприето.

"Роботите вече са забележително способни по отношение на физическия контрол, но все още изпитват затруднения с управлението на по-високо ниво, необходимо за бързо учене и адаптиране при промяна на условията", посочва Брет Кейгън, цитиран от HiComm.bg.

За да подобрят комуникацията между биологичната тъкан и компютрите, специалистите от Cortical Labs разработват платформата Embodied Neurocomputation Framework. В рамките на проекта жива невронна мрежа управлява виртуален агент в опростена среда, подобна на решетка. Задачата на агента е да избира дали да продължи напред, наляво или надясно, следвайки симулирана следа от миризма, за да открие условна храна.

Учените тестват близо 1 300 различни конфигурации на електрическите сигнали и натрупват над 4 000 часа взаимодействие в реално време с десетки биологични модули. От всички изпробвани варианти 12 конфигурации показват устойчиво обучение. При еднакви условия тези оптимизирани биологични системи се справят с навигационните задачи по-добре от стандартните компютърни алгоритми за обучение с подсилване.

Предимството на живата клетка пред силиция

Интересът към биохибридните компютри се дължи на уникалните свойства на човешкия мозък, формирани в продължение на милиони години еволюция. За разлика от съвременните системи за изкуствен интелект, които изискват огромни изчислителни ресурси и мащабни сървърни центрове, живите неврони обработват множество информационни потоци паралелно с минимален разход на енергия.

Ключов фактор в този процес е невронната пластичност - способността на нервните клетки да променят своята активност и връзките помежду си на базата на натрупания опит. Макар пред технологията все още да стоят сериозни технически препятствия, успешната връзка между електроника и жива тъкан отваря пътя към ново поколение автономни машини. Учените не очакват биологичните модули да заменят напълно традиционните силициеви процесори, а по-скоро да ги допълват в задачи, които изискват бърза адаптация към непозната среда и висока енергийна ефективност без връзка с мощни централни компютри.