Ученые вырастили мозги внутри электроники. Угадайте, кто теперь будет главным
Учёные вырастили мозговую сеть внутри металлической решётки — и научили её думать.
Исследователи из Принстона встроили живые нейроны не в чашку Петри, а прямо в трехмерную электронную сетку. Десятки тысяч клеток выросли вокруг микроскопических проводников и электродов, начали обмениваться сигналами и со временем превратились в управляемую биологическую нейронную сеть, которая распознает электрические паттерны. Работу опубликовал журнал Nature Electronics 23 апреля.
Прежние попытки соединить мозговые клетки с вычислительной техникой чаще сводились к плоским культурам на поверхности чипа или объемным скоплениям нейронов, к которым исследователи подводили датчики снаружи. Команда Принстона выбрала другой путь и построила устройство «изнутри наружу»: сначала создала гибкий каркас из тонких металлических проводников, покрытых почти невесомым слоем эпоксидной смолы, а затем вырастила нервную ткань внутри такой конструкции. Покрытие получилось достаточно мягким, чтобы не травмировать клетки, и достаточно прочным, чтобы электроника оставалась рабочей.
Получившаяся система называется 3D micro-instrumented neural network device, или 3D-MIND. По сути, перед исследователями оказался живой объемный массив, где электроника не просто наблюдает за нейронами, а пронизывает сеть и получает доступ к сигналам на разных уровнях. Такой подход дал более точную запись активности и позволил стимулировать отдельные участки сети, отслеживая, как связи между клетками меняются и укрепляются. Наблюдения продолжались больше шести месяцев.
Затем ученые перешли от наблюдения к простым вычислительным задачам. Команда подавала на сеть электрические импульсы с разным пространственным и временным рисунком, а затем обучала алгоритм читать отклик нейронов. В одном опыте система различала пары пространственных паттернов, в другом - временные последовательности. В обоих случаях биологическая сеть научилась отличать один сигнал от другого.
Главная интрига работы связана не с громким образом «живого компьютера», а с энергетикой. Современные системы искусственного интеллекта требуют огромных вычислительных мощностей, тогда как человеческий мозг решает сопоставимые задачи при радикально меньшем расходе энергии. Руководитель работы Тянь-Мин Фу прямо называет энергию одним из ближайших узких мест для развития искусственного интеллекта: мозг, по его словам, расходует примерно в миллион раз меньше мощности, чем нынешние вычислительные системы при похожих задачах.
Пока устройство Принстона нельзя считать готовой заменой обычным процессорам. Система распознает ограниченные наборы сигналов, а масштабирование живой сети до более сложных задач еще предстоит проверить. Но эксперимент показывает, что нейроны можно не просто выращивать рядом с электроникой, а встраивать в объемную архитектуру, программировать стимуляцией и использовать как вычислительную среду.
Для нейронаук такая платформа тоже может оказаться ценной. Кумар Мритунджай, первый автор статьи, считает, что трехмерные биологические нейронные сети помогут изучать вычислительные принципы мозга, развитие нервных связей и возможные механизмы неврологических заболеваний. В более далекой перспективе похожие мягкие интерфейсы могут лечь в основу имплантов, которые будут взаимодействовать с нервной тканью на языке электрических сигналов, а не грубо считывать активность снаружи.