Εργαστηριακοί εγκέφαλοι παίζουν video games μέσω AI

Σύνοψη

• Ερευνητές του UC Santa Cruz (UCSC) εκπαίδευσαν εργαστηριακά οργανοειδή εγκεφάλου να επιλύσουν το πρόβλημα ισορροπίας “cart-pole”, το οποίο προσομοιάζει τον έλεγχο σε ένα βασικό videogame.
• Η αμφίδρομη επικοινωνία επιτεύχθηκε μέσω ενός μικροτσίπ συστοιχίας ηλεκτροδίων (MEA) της Maxwell Biosciences, το οποίο διάβαζε την εγκεφαλική δραστηριότητα και έστελνε στοχευμένα ηλεκτρικά σήματα ανατροφοδότησης (feedback).
• Η χρήση ενός αλγορίθμου ενισχυτικής μάθησης αύξησε το ποσοστό επιτυχίας των βιολογικών νευρώνων από το 4.5% στο 46%.
• Η έρευνα αποδεικνύει την ικανότητα στοχευμένης μάθησης σε βιολογικά δίκτυα απουσία αισθητηριακών οργάνων ή του συστήματος ανταμοιβής της ντοπαμίνης.
• Τα ευρήματα, τα οποία δημοσιεύτηκαν στο Cell Reports, θέτουν νέες βάσεις για τη μελέτη νευρολογικών παθήσεων και την ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικών υβριδικών συστημάτων βιοϋπολογιστών (biocomputing).

Η επιστημονική κοινότητα καταγράφει ένα κρίσιμο ορόσημο στη διασταύρωση της νευροβιολογίας και της επιστήμης υπολογιστών. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ (UCSC), με επικεφαλής τον Ash Robbins, δημοσίευσαν στο ακαδημαϊκό περιοδικό Cell Reports τα αποτελέσματα ενός πειράματος που επιβεβαιώνει τη δυνατότητα των εργαστηριακών οργανοειδών εγκεφάλου να επιλύουν προβλήματα ελέγχου. 

Χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά σήματα και αλγορίθμους ενισχυτικής μάθησης (reinforcement learning), οι επιστήμονες κατάφεραν να εκπαιδεύσουν αυτούς τους στοιχειώδεις βιολογικούς σχηματισμούς να διατηρούν την ισορροπία ενός ψηφιακού εκκρεμούς, στο κλασικό πρόβλημα ελέγχου γνωστό ως “cart-pole”, λειτουργώντας πρακτικά ως παίκτες σε ένα απλοποιημένο video game.

Η αρχιτεκτονική των οργανοειδών εγκεφάλου

Πώς ορίζεται και ποια είναι η δομή ενός οργανοειδούς εγκεφάλου στο πλαίσιο της βιοϋπολογιστικής έρευνας;

Τα οργανοειδή εγκεφάλου είναι τρισδιάστατες, μικροσκοπικές καλλιέργειες κυττάρων που αναπτύσσονται in vitro από πολυδύναμα βλαστοκύτταρα. Διαθέτουν λειτουργικούς νευρώνες και συνάψεις, μιμούμενα τη βασική αρχιτεκτονική του ανθρώπινου φλοιού, αλλά στερούνται συνείδησης, αισθητηριακών εισροών και συστημάτων υποστήριξης (όπως η κυκλοφορία αίματος ή η έκκριση ντοπαμίνης). Λειτουργούν αποκλειστικά ως απομονωμένα βιολογικά κυκλώματα ανταλλαγής ηλεκτρικών σημάτων.

Η ανάπτυξη αυτών των δομών αποτελεί μια εξαιρετικά πολύπλοκη διαδικασία κυτταρικής μηχανικής. Τα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα προγραμματίζονται εκ νέου μέσω συγκεκριμένων πρωτεϊνών και χημικών παραγόντων, ώστε να διαφοροποιηθούν σε νευρικό ιστό. Στο συγκεκριμένο πείραμα του UCSC, τα οργανοειδή αναπτύχθηκαν από βλαστοκύτταρα ποντικιών. Το μέγεθός τους δεν ξεπερνά αυτό ενός κόκκου ρυζιού, ωστόσο η πυκνότητα των νευρώνων και η δημιουργία αυθόρμητης ηλεκτρικής δραστηριότητας παρέχουν στους ερευνητές έναν καμβά πάνω στον οποίο μπορούν να δοκιμάσουν την πλαστικότητα του δικτύου. Η βασική πρόκληση δεν είναι η δημιουργία του ιστού, αλλά η εγκαθίδρυση μιας αξιόπιστης διεπαφής για την αμφίδρομη ανταλλαγή δεδομένων.

Η διεπαφή του hardware και οι μικροσυστοιχίες ηλεκτροδίων

Με ποιον τρόπο μεταφράζεται η δραστηριότητα των νευρώνων σε δεδομένα που μπορεί να επεξεργαστεί ένας υπολογιστής;

Η επικοινωνία μεταξύ των οργανοειδών και του υπολογιστικού συστήματος πραγματοποιείται μέσω ενός εξειδικευμένου μικροτσίπ (Microelectrode Array – MEA), το οποίο αναπτύχθηκε σε συνεργασία με την εταιρεία Maxwell Biosciences. Το τσίπ διαθέτει μικροσκοπικά ηλεκτρόδια που ακουμπούν απευθείας στον βιολογικό ιστό, καταγράφοντας τις εκφορτίσεις των νευρώνων σε πραγματικό χρόνο και επιτρέποντας την ταυτόχρονη διοχέτευση στοχευμένων ηλεκτρικών παλμών πίσω στο οργανοειδές.

Αυτή η διεπαφή αποτελεί τον πυρήνα του πειράματος. Η ομάδα του εργαστηρίου Dynamics, Autonomous Navigation, Surface Engineering and Robotics (DANSER) υπό τον καθηγητή Mircea Teodorescu, σχεδίασε ένα σύστημα κλειστού βρόχου (closed-loop system). Οι νευρωνικές εκφορτίσεις διαβάζονται, αποκωδικοποιούνται από τον υπολογιστή και μετατρέπονται σε εντολές κίνησης (αριστερά ή δεξιά). Στη συνέχεια, ο υπολογιστής υπολογίζει τη νέα κατάσταση του συστήματος και επιστρέφει ένα ηλεκτρικό σήμα διέγερσης σε συγκεκριμένους νευρώνες για να κωδικοποιήσει τη νέα γωνία του ψηφιακού άξονα. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται πολλές φορές το δευτερόλεπτο, μετατρέποντας τον βιολογικό ιστό σε έναν ενεργό επεξεργαστή δεδομένων.

Το πρόβλημα Cart-Pole και η ενισχυτική μάθηση

Πώς εφαρμόστηκε η ενισχυτική μάθηση για τη βελτίωση της απόδοσης των βιολογικών νευρώνων;

Η δοκιμασία cart-pole απαιτεί τη διατήρηση της ισορροπίας ενός άξονα πάνω σε ένα κινούμενο όχημα (όπως η ισορροπία μιας σκούπας στην παλάμη του χεριού). Οι ερευνητές εισήγαγαν έναν αλγόριθμο ενισχυτικής μάθησης ο οποίος λειτουργούσε ως “προπονητής”, τροποποιώντας τα ηλεκτρικά σήματα διέγερσης με βάση την απόδοση του οργανοειδούς, οδηγώντας το ποσοστό επιτυχίας (δηλαδή τη διατήρηση της ισορροπίας πάνω από ένα συγκεκριμένο χρονικό όριο) από το αρχικό 4.5% στο 46%.

Όταν το οργανοειδές έδινε μια σωστή εντολή που διατηρούσε την ισορροπία, η ηλεκτρική ανατροφοδότηση ακολουθούσε ένα συγκεκριμένο μοτίβο. Όταν η εντολή οδηγούσε σε πτώση του άξονα, το σήμα άλλαζε, προσφέροντας “αρνητική” διέγερση. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης (όπου ρυθμίζονται μαθηματικά βάρη σε πίνακες), εδώ μιλάμε για καθαρά βιολογική πλαστικότητα. Οι συνάψεις μεταξύ των νευρώνων ενισχύονται ή αποδυναμώνονται φυσικά, ανταποκρινόμενες στα εξωτερικά ηλεκτρικά ερεθίσματα. Το εντυπωσιακό στοιχείο της μελέτης είναι ότι αυτή η προσαρμογή συνέβη απουσία του βιολογικού συστήματος ανταμοιβής (όπως οι υποδοχείς ντοπαμίνης). Το ίδιο το ηλεκτρικό ερέθισμα, καθοδηγούμενο από τον αλγόριθμο, ανάγκασε το εξαιρετικά μινιμαλιστικό νευρωνικό κύκλωμα να αναδιαρθρωθεί για να επιλύσει ένα πραγματικό πρόβλημα ελέγχου.

Εφαρμογές: Από τη Νευρολογία στους Βιοϋπολογιστές

Η δυνατότητα ποσοτικοποίησης της μάθησης in vitro προσφέρει στους επιστήμονες ένα νέο, ισχυρό εργαλείο. Στον τομέα της ιατρικής, τα οργανοειδή εγκεφάλου χρησιμοποιούνται ήδη για τη μελέτη της ανάπτυξης του εγκεφάλου και των νευρολογικών παθήσεων. Με τη νέα μέθοδο μέτρησης της στοχευμένης μάθησης, οι ερευνητές μπορούν να μολύνουν ένα οργανοειδές με τους μηχανισμούς μιας νόσου (π.χ. συσσώρευση αμυλοειδούς β-πρωτεΐνης για τη νόσο του Αλτσχάιμερ) και να παρατηρήσουν ακριβώς πώς και με ποιον ρυθμό μειώνεται η ικανότητα του ιστού να επιλύει το πρόβλημα του cart-pole. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει τον έλεγχο νέων φαρμάκων σε πραγματικό χρόνο και με απόλυτα μετρήσιμα αποτελέσματα επιδόσεων, πολύ πριν ξεκινήσουν οι κλινικές δοκιμές σε ανθρώπους.

Παράλληλα, τα ευρήματα ενισχύουν τον αναδυόμενο κλάδο του biocomputing. Ενώ οι σύγχρονες συστοιχίες GPU απαιτούν megawatts ενέργειας για την εκπαίδευση μεγάλων γλωσσικών μοντέλων, ο ανθρώπινος εγκέφαλος εκτελεί απείρως πιο περίπλοκες λειτουργίες καταναλώνοντας περίπου 20 Watt. Η αξιοποίηση βιολογικού ιστού για την κατασκευή υβριδικών επεξεργαστών (όπως ήδη ερευνάται σε συνδυασμό με διεπαφές του Πανεπιστημίου Northwestern) αποτελεί μακροπρόθεσμα μια ελκυστική εναλλακτική για την εξοικονόμηση ενέργειας και τη βελτιστοποίηση εξειδικευμένων υπολογιστικών διεργασιών.

Με τη ματιά του Techgear

Η δημοσίευση του UCSC διαχωρίζει με σαφήνεια την αυστηρή επιστημονική μέθοδο από τις υπερβολές που συχνά συνοδεύουν την κάλυψη θεμάτων νευροτεχνολογίας. Δεν βρισκόμαστε μπροστά σε «cyber οργανισμούς» ούτε σε βιολογικά συστήματα που αντιλαμβάνονται την έννοια του παιχνιδιού. Αυτό που επετεύχθη είναι η αυστηρή μαθηματική απόδειξη ότι η ηλεκτρική διέγερση, όταν καθοδηγείται από έναν κλασικό αλγόριθμο μηχανικής μάθησης, αναγκάζει τους ανεξάρτητους νευρώνες να αλλάξουν τη συναπτική τους συμπεριφορά προς έναν συγκεκριμένο στόχο.

Από τεχνικής άποψης, το εντυπωσιακότερο στοιχείο είναι η αυτοματοποίηση του hardware. Το λογισμικό ανοιχτού κώδικα που συνοδεύει την έρευνα επιτρέπει σε οποιονδήποτε διαθέτει τη βασική υποδομή καλλιέργειας ιστών να διεξάγει παρόμοια πειράματα ελέγχου, χωρίς να απαιτείται η συγγραφή νέου κώδικα από το μηδέν. Ωστόσο, η κλιμάκωση αυτής της τεχνολογίας για τη δημιουργία εμπορικών “βιο-επεξεργαστών” απέχει δεκαετίες. Η δυσκολία διατήρησης της κυτταρικής υγείας, ο κυτταρικός θάνατος και η αστάθεια των βιολογικών συστημάτων παραμένουν ανυπέρβλητα τεχνικά εμπόδια. 

Η πραγματική, άμεση αξία της συγκεκριμένης έρευνας για την αγορά εστιάζεται ξεκάθαρα στη φαρμακοβιομηχανία, όπου η δυνατότητα μέτρησης της “νοητικής ικανότητας” ενός οργανοειδούς θα επιταχύνει κατακόρυφα την ανακάλυψη θεραπειών για εκφυλιστικές ασθένειες.