Что такое «мозг на чипе»?
Эта технология – одна из наиболее перспективных для исследования головного мозга человека. Для неё используются органоиды мозга – нейроны, которые «выращивают» из так называемых индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Затем нейроны размещают на микроскопическом электронном устройстве – микрочипе, который может передавать электрические сигналы и регистрировать активность клеток.
Ещё в 2022 году биотехнологическая компания Cortical Labs провела эксперимент. Тогда выращенные в лаборатории и подключённые к электронному чипу нейроны «научили» управлять ракеткой в классической видеоигре Pong. Тогда в системе, получившей название DishBrain, около миллиона нейронов были соединены с электронным интерфейсом. Чип передавал клеткам информацию о положении мяча в игре. Электрическая активность нейронной сети, в свою очередь, управляла движением виртуальной ракетки. Когда система ошибалась и пропускала мяч, нейроны получали хаотичный сигнал. Когда действовали правильно – сигнал становился более предсказуемым. Со временем сеть начинала лучше реагировать на стимулы и «удерживать» мяч.
Научить нейроны играть в Doom – более сложная задача. Здесь клеткам мозга надо уже не просто отбить мяч ракеткой, в игре приходится сражаться с полчищами демонов и для победы необходимо различать противника, принимать решения в реальном времени и реагировать в ситуации неопределённости. Поскольку нейроны не имеют зрения, не понимают правил игры и не обладают намерениями, вся информация из игры должна быть конвертирована в электрические сигналы.
Для решения этой задачи был использован биокомпьютер CL1, в котором клетки человеческого мозга объединены с кремниевым оборудованием для формирования нейронных сетей.
Был разработан цикл: визуальное восприятие – обработка в нейронной сети – моторный ответ. Всё построено на биофизических свойствах нейронных сетей, которые стремятся стабилизировать электрическую активность. Если персонаж, управляемый нейронами, совершает промах, программа посылает хаотичный электрический сигнал, а при правильном действии, напротив, упорядоченный и ритмичный.
По словам разработчиков, пока нейроны напоминают новичков в игре – часто ошибаются, совершают хаотичные и бессмысленные движения. Тем не менее с каждой новой попыткой органоиды становятся всё более опытными игроками, демонстрируя навыки обучения. И процент успешных действий постепенно растёт. Но исследователям предстоит выяснить, как именно электрическая стимуляция влияет на процесс обучения у клеток.
Не ради забавы
Разработчики новой технологии утверждают, что это новый вид вычислительного интеллекта, более динамичный и энергоэффективный, чем уже существующие. А сама технология открывает новые перспективы в медицине и фармацевтике. Например, нейронные культуры и мозговые органоиды позволяют изучать болезни, которые трудно моделировать у животных, такие как болезнь Альцгеймера, эпилепсия, аутизм, нейродегенеративные расстройства. Мозговые органоиды могут частично воспроизводить ранние стадии формирования нервной системы. Это даёт возможность изучать процессы, которые невозможно наблюдать напрямую у человека. Также технологию можно использовать и при тестировании лекарств. Фармацевтические компании традиционно тестируют препараты на животных. Однако мозг человека устроен иначе, поэтому многие лекарства, успешно прошедшие эксперименты на мышах, не работают у людей. Нейронные культуры из человеческих клеток позволяют проверять действие препаратов непосредственно на человеческой ткани.
Некоторые исследователи обсуждают возможность создания гибридных систем, где биологические нейроны будут работать вместе с электроникой. Однако большинство учёных считают, что главная ценность технологии – не вычисления, а медицина и фундаментальная нейробиология.
Есть ли сознание у органоидов?
Подобные эксперименты всякий раз запускают дискуссию: если мозговые органоиды будут становиться всё сложнее, могут ли они когда-нибудь развить формы сознания?
Большинство нейробиологов считают этот сценарий крайне маловероятным в ближайшем будущем. Ведь, несмотря на впечатляющие эксперименты, современные нейронные культуры остаются крайне примитивными по сравнению с настоящим мозгом. Например, в человеческом мозге около 86 миллиардов нейронов, а в лабораторных системах их количество обычно ограничивается миллионами. Кроме того, у органоидов нет сенсорных систем, кровеносных сосудов и сложной архитектуры мозга. Поэтому говорить о полноценном «мини-мозге» пока преждевременно. Это скорее упрощённые модели нейронных сетей. Сегодня нейронные культуры на микрочипах остаются прежде всего лабораторным инструментом. Они не думают, не чувствуют и не обладают сознанием.
Но, как и многие технологии в биологии, они открывают новый способ заглянуть в одну из самых сложных систем природы – человеческий мозг. И, возможно, именно такие модели помогут однажды найти новые методы лечения болезней, которые до сих пор остаются загадкой для науки.
