В един от най-впечатляващите експерименти в областта на невроморфните технологии, учени успяха да обучат система от 200 000 живи човешки неврона, интегрирани върху чип, да играят легендарния шутър DOOM. Според публикация в newscientist., биологичната невронна мрежа е демонстрирала способност за учене и адаптация, която в някои аспекти превъзхожда традиционните цифрови алгоритми.
В лявата част на екрана се появява пикселен демон. Чува се изстрел от пушка и чудовището пада. Стандартна сцена от култовия шутър от 1993 г., ако не беше една подробност: играчът няма очи, няма ръце, няма геймпад. Той изобщо няма тяло. От другата страна на екрана има блоб от двеста хиляди живи човешки неврона, отгледани върху силициев чип. И те току-що са извършили съзнателно действие във виртуалния свят.
През 2022 г. австралийската технологична компания Cortical Labs провежда експеримент, който значително промени подхода към компютърните изчисления. Инженерите отгледаха култура от живи човешки мозъчни клетки върху микрочип и научиха тази биологична мрежа да играе класическата двуизмерна аркадна игра Pong. Това беше първото практическо доказателство, че невроните в лабораторията могат да се адаптират към цифровата среда и целенасочено да променят поведението си.
Pong обаче е технически примитивна среда. Движението на топката и ракетата следва строги, предвидими линейни траектории. Интернет общността, която следи проекта, задава на разработчиците традиционния мемен въпрос: „Можем ли да стартираме DOOM на него?“.
Година и половина по-късно инженерите отговарят утвърдително. Клетъчната култура наистина е била в състояние да управлява персонаж в триизмерен шутър. Преходът от обикновена двуизмерна равнина към хаотична триизмерна среда изискваше от изследователите да решат най-трудния инженерен проблем: да създадат надежден двупосочен интерфейс, който да превежда сложната цифрова информация на езика на биологичното електричество.
Хардуерната платформа: как се поддържа животът на един процесор
Съвременните процесори работят на базата на силиций, изискват интензивно охлаждане и консумират огромни количества енергия. Един биологичен изчислителен модул изисква съвсем различни условия. Основата на технологията на Cortical Labs е системата, наречена CL1. Външно тя представлява компактно настолно устройство, но по същество е високотехнологичен инкубатор, комбиниран със сървър.
Във вътрешността на CL1 се поддържа строг микроклимат. Системата непрекъснато доставя течна хранителна среда на клетките, стриктно дозира нивата на кислород, отстранява въглеродния диоксид и поддържа температура от точно 37 градуса по Целзий. Без тази хардуерна поддръжка биологичният процесор би загинал за минути.
В центъра на този инкубатор е основният елемент – мултиелектродната решетка (MEA). Това е силициева пластина, върху която е гравирана мрежа от микроскопични контакти. Върху тази мрежа е поставена култура от около двеста хиляди живи човешки неврони. Клетките растат, образуват физически връзки (синапси) помежду си и образуват гъста невронна мрежа, която физически контактува с електродите.
Тази мрежа действа като двупосочен мост между компютъра и биомасата. Електродите са способни да изпълняват две задачи: те могат да доставят електрически разряд до определена група клетки, а също така са способни да улавят електрическите импулси, които самите неврони генерират по време на своята дейност.
Транслирането на данните: от пикселите към електричеството
Пускането на DOOM на биологична мрежа е проблем на транслацията. Клетките в инкубатора нямат очи, не виждат екрана, не разбират геометрията на нивата и не знаят какво представляват виртуалните противници. Цялата информация от играта трябва да се преобразува в електрически сигнали.
За да решат този проблем, инженерите от Cortical Labs разработват специализиран програмен интерфейс (API), който позволява на всеки код да комуникира със системата CL1. Използвайки този интерфейс, независимият изследовател Шон Коул написва програма на Python, която свързва енджина на DOOM с масива от електроди.
Процесът на обмен на данни работи по строг цикъл, който се повтаря десетки пъти в секунда. Първо, програмата анализира текущия кадър на играта. Да предположим, че в лявата част на виртуалното пространство се появява противник. Програмата регистрира това събитие и веднага изпраща команда към инкубатора CL1.
Устройството активира определена група електроди, разположени в лявата зона на невронната култура. Клетките в тази зона получават електрически разряд. За невроните този разряд е сензорен сигнал, който съобщава за промяна във външната среда. В отговор на тази стимулация биологичната мрежа започва да генерира свои собствени електрически импулси.
Системата от електроди моментално отчита тези импулси на отговор и ги предава обратно към програмата на Шон Коул. Софтуерът анализира точно в коя зона на масива е настъпил разрядът и го интерпретира като натискане на клавиш на клавиатурата. Ако импулсът е засечен в някоя зона, героят в играта прави крачка. Ако е в друга зона, героят се обръща. Ако е в трета зона, героят стреля с виртуално оръжие.
Биологичната мотивация: учене чрез предвидимост
Основният въпрос е как да накараме клетките да извършват желаните действия. Невроните не разбират концепцията за победа във видеоигрите и не се стремят да спечелят повече точки. Те реагират единствено на физическите дразнители. За да накарат мрежата да се учи, инженерите използват основния биологичен механизъм – стремежа на всяка жива система към стабилност и минимизиране на стреса.
Цялата система за учене е изградена на базата на обратната връзка. Когато виртуалният герой, контролиран от невроните, допусне грешка – например получи повреда от противник или извърши напълно безполезно действие – програмата изпраща хаотичен, непредсказуем електрически сигнал към електродите. На клетъчно ниво този сигнал се възприема като най-силен стимул, който изкарва мрежата от равновесие. Клетките са физически неспособни да се адаптират към постоянния хаос.
Когато героят извърши правилно действие – успешно атакува враг или избегне удар – програмата изпраща предвидим, подреден и ритмичен електрически шаблон към масива от електроди. За биологичната тъкан този сигнал е маркер за стабилност на околната среда.
За да намалят броя на хаотичните разряди и да получават по-често предсказуеми сигнали, невроните започват физически да пренареждат структурата си. Те създават нови синаптични връзки и разрушават старите, като оптимизират маршрутите, по които се предава електричеството в тяхната мрежа. Страничен ефект от тази чисто биологична адаптация е, че героят на екрана започва да играе DOOM по по-смислен начин.
Настоящите резултати и значението на експеримента
В момента нивото на игра на биологичната мрежа е далеч от съвършенството. Разработчиците честно признават, че невроните се държат като хора, които за първи път в живота си са взели контролер. Виртуалният герой често прави хаотични движения, върти се на място и редовно губи. Статистическият анализ на активността обаче показва ясна динамика: клетките демонстрират способност да намират противниците си в триизмерното пространство, да се прицелват и да стрелят. Те се учат и с всеки нов опит процентът на прицелните действия постоянно се увеличава.
Експериментът DOOM доказва главното: основният проблем на хардуерния интерфейс между компютъра и живата тъкан е успешно решен. Инженерите са научили как да поддържат клетките живи извън тялото и са установили стабилен двупосочен канал за данни в реално време.
Сега фокусът на изследванията се измества върху програмирането. Изкуственият интелект, работещ на базата на силициеви микрочипове, изисква изграждането на огромни центрове за данни и консумира мегавати електроенергия. Биологичните мрежи, от друга страна, са изключително енергийно ефективни и могат физически да променят архитектурата си, за да отговарят на конкретна задача. Разбирането на това как правилно да се прехвърля информация към такива системи ще проправи пътя за създаването на принципно нови изчислителни машини.
Изследователите са изправени пред следващата амбициозна задача: да определят идеалните параметри на взаимодействие. Те ще трябва да открият кои алгоритми, честоти и амплитуди на електрическата стимулация ще дадат възможност на живите клетки да усвояват и обработват дигиталната информация с максимална точност. Когато този код бъде намерен, биологичните процесори ще могат да решават изчислителни задачи, които са извън обсега на традиционната електроника.
Всичко важно от света на технологиите, директно в пощата ти.
С абонирането приемате нашите Условия и Политика за поверителност. Може да се отпишете с един клик по всяко време.
Коментирайте статията в нашите Форуми. За да научите първи най-важното, харесайте страницата ни във Facebook, и ни последвайте в Google Новини, TikTok, Telegram и Viber или изтеглете приложението на Kaldata.com за Android, iPhone, Huawei, Google Chrome, Microsoft Edge и Opera!
