Нейрони в грі: як вирощені в лабораторії клітини мозку освоюють культовий шутер DOOM
Біокомп’ютери та технології, що об’єднують живу матерію з кремнієвими платами, впевнено виходять за межі наукової фантастики. Австралійські дослідники з біотехнологічного стартапу Cortical Labs здійснили дивовижний прорив: вони навчили людські клітини мозку, вирощені на комп'ютерному чипі, грати в культовий тривимірний шутер 1990-х років — DOOM. Автори експерименту зазначають, що це досягнення є лише першим кроком до розкриття справжнього потенціалу живих нейромереж.
Кожен такий «біологічний комп’ютер» містить у собі неймовірну структуру: масив із N≈200000 живих людських нейронів. Ці клітини були вирощені зі стовбурових клітин, отриманих завдяки звичайним донорським зразкам крові.
Від двовимірного тенісу до тривимірного хаосу
Раніше ця ж група нейронів уже успішно опанувала класичну аркаду Pong, де їм потрібно було рухати віртуальну ракетку вгору та вниз, щоб відбивати кульку. Проте тепер завдання суттєво ускладнилося. Світ DOOM — це хаотичне тривимірне середовище, яке вимагає від гравця не просто реакції, а дослідження простору навколо себе та прицільного знищення ворогів. Для згустку клітин у чашці Петрі це надскладна місія.
Як зазначає Алон Леффлер, старший науковий співробітник прикладних досліджень у Cortical Labs, на початкових етапах нейрони поводилися як абсолютні новачки, які ніколи в житті не бачили відеоігор. Вони постійно врізалися в стіни, хаотично стріляли в порожнечу і безладно крутилися на місці. Проте з часом ситуація кардинально змінилася: клітини почали набагато регулярніше та точніше цілитися у віртуальних демонів.
Звісно, біологічний чип поки що грає далеко не ідеально. Іноді йому потрібно кілька спроб, щоб ліквідувати одного монстра, а кулі летять у різні боки, перш ніж ціль буде уражено. Проте це дивовижне дослідження доводить головне: живі нейрони здатні адаптуватися до зовнішніх подразників у режимі реального часу та демонструвати цілеспрямоване навчання.
Як працює біокомп'ютер? Технологія чипа CL1
Щоб занурити біологічну культуру в гру, дослідники перевели цифровий світ DOOM у зрозумілі для клітин патерни електричних сигналів. Коли на екрані з’являється ворог, спеціальні мікроелектроди починають стимулювати нейрони на спеціалізованому чипі під назвою CL1.
Різні типи та частоти активності клітин кодують конкретні дії у грі. Наприклад, одна комбінація нейронних імпульсів змушує персонажа рухатися вліво чи вправо, а інша — відкривати вогонь. Самі вчені спостерігають за цим процесом через підключений до чипа монітор, де спалахи електричної активності тисяч нейронів відображаються у вигляді динамічного масиву дрібних точок. Аналізуючи ці дані, команда коригує вхідні сигнали, щоб скеровувати та тренувати живі клітини.
Потенціал поза межами відеоігор
Можливості чипа CL1 поширюються далеко за межі геймінгу. Нейронні культури можна програмувати під найрізноманітніші практичні завдання. За словами головного наукового та операційного директора Cortical Labs Бретта Кагана, технологія перспективна для застосування в робототехніці, створенні систем реального часу (аналогічних до штучного інтелекту), а також у сфері охорони здоров’я. Біочипи можуть стати незамінними інструментами для моделювання небезпечних хвороб, тестування нових медичних препаратів і розвитку персоналізованої медицини.
Головна перевага біологічного чипа полягає в його феноменальній енергоефективності. Відомо, що людський мозок споживає всього лише близько P≈20 Вт енергії. Сучасні кремнієві комп'ютери та суперкомп'ютери, що запускають великі моделі штучного інтелекту, потребують у мільйони разів більше ресурсів, але досі не можуть відтворити гнучкість людського мислення. Біокомп'ютинг пропонує значно екологічнішу, сталішу та потенційно потужнішу форму інтелекту.
Справжня наука, а не фантастика
Наразі технологія має певні обмеження. Термін життя живих клітин на чипі становить близько t=6 місяців, і вони поки що не здатні видавати абсолютно стабільні, на сто відсотків програмовані результати, які демонструє звичайний кремній.
Попри це, експерти напівпровідникової індустрії високо оцінюють значущість проєкту. Вільям Кітінг, генеральний директор дослідницької компанії Ingenuity, наголошує, що людству вкрай необхідні нові шляхи оптимізації енергоспоживання в обчислювальних процесах. Проєкт Cortical Labs — це не дивакувата забаганка чи сумнівний стартап, а фундаментальна та прогресивна наука, яка демонструє реальні кроки до створення технологій майбутнього.