Jesteśmy już dość dobrze zaznajomieni z pojęciem sztucznej inteligencji. Określa się nim programy analizujące ogromne zbiory danych i wykorzystujące m.in. algorytmy uczenia maszynowego do osiągania coraz lepszych wyników. Jednak nie jest wykluczone, że w przyszłości będziemy wykorzystywać, w życiu i w nauce, zupełnie inny rodzaj inteligentnych narzędzi – syntetyczną biologiczną inteligencję. 

Taką możliwość otwiera eksperyment opisany w przełomowym artykule opublikowanym wczoraj w czasopiśmie „Neuron”. 

Naukowcy przedstawili w nim system składający się z tkanki biologicznej – ludzkich albo mysich komórek nerwowych – oraz elektroniki. Następnie udowodnili, że neurony, odpowiednio stymulowane, mogą inteligentnie reagować na bodźce płynące ze środowiska. A konkretnie – mogą nauczyć się grać w Ponga, bardzo prostą grę komputerową. 

W co grały neurony? 

Nie ma chyba osoby, która nie kojarzyłaby Ponga. Dostajemy do dyspozycji kwadratowe lub prostokątne pole gry, w którym zaczyna poruszać się piłeczka. Odbija się od ścian jak bila bilardowa i wraca do gracza sterującego poziomym „wiosłem”. Naszym zadaniem jest przesuwać nim w górę i w dół tak, by odbić piłeczkę. 

Gra w Ponga była szczególnie popularna w latach 80. XX wieku. Fot. Archiwum

Naukowcy z australijskiego startupu biotechnologicznego Cortical Labs odtworzyli tę grę w Ponga w laboratorium. A dokładnie – zasymulowali jej zasady na elektronicznej matrycy. Wpierw jednak wyhodowali na niej komórki nerwowe. 

Neurony pochodziły z dwóch źródeł:

  1. z embrionów myszy,
  2. z ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych.

Ich kultury, liczące 800 tys. pojedynczych komórek nerwowych, badacze umieścili na płytce pokrytej gęstą siecią mikroelektrod. 

Jak nauczyć neurony grać w Ponga? 

Nie był to pierwszy przypadek doświadczenia, kiedy w laboratorium stworzono tego rodzaju biologiczno-elektroniczny układ. Dotychczas jednak naukowcy ograniczali się do rejestrowania z jego pomocą aktywności elektrycznej neuronów. Teraz poszli o krok dalej. Nie tylko rejestrowali impulsy elektryczne generowane przez komórki nerwowe, ale również – tą samą metodą – przekazywali im informację zwrotną. 

W jaki sposób neuronom stworzono środowisko gry? Płytka została podzielona na dwie części. Dolna służyła do przekazywania z pomocą impulsów informacji, gdzie jest piłka – po prawej czy po lewej. Natomiast odległość piłki od „wiosła” symulowała częstotliwość wysyłanych impulsów. 

Górna część matrycy służyła zbieraniu informacji od neuronów, czyli rejestrowaniu ich aktywności odpowiadającej sterowaniu „wiosłem”. Tak powstał zamknięty system, w którym komórki nerwowe otrzymywały pewien ciąg bodźców. I uczyły się, że napływające bodźce związane są z tym, jak one same na nie zareagują. 

Dlaczego neuronom chciało się grać? 

Tutaj pojawia się najważniejsze pytanie. Można by się zastanowić: dlaczego komórkom nerwowym w ogóle chciało się podejmować jakąkolwiek aktywność? Co sprawiło, że zaczynały brać udział w grze? 

Odpowiedź przynosi teoria Karla Fristona, jednego z wizjonerów współczesnej nauki. Friston, brytyjski neurolog z Kolegium Uniwersyteckiego w Londynie opracował, tzw. zasadę wolnej energii (ang. free energy principle). Według niej każdy biologiczny i niebiologiczny system stara się funkcjonować w swoim środowisku tak, by unikać niespodzianek. 

W przypadku mózgu oznacza to nieustające konfrontowanie tworzonych przewidywań dotyczących przyszłości z informacjami docierającymi ze zmysłów. Gdy to, co przewidywaliśmy, odbiega od tego, co dzieje się w rzeczywistości, reagujemy na dwa sposoby. Albo zmieniamy swoje prognozy, albo staramy się tak zmienić rzeczywistość, by pasowała do prognoz. Tym samym redukujemy poznawczy chaos. 

Nowa dziedzina nauki 

Zasada ta – opisana wyżej w ogromnym skrócie i sporym uproszczeniu – jest właśnie tą, która „zmusiła” neurony do działania. Naukowcy przyjęli, że kultura komórkowa „nie lubi” niespodzianek. Czyli w jej przypadku – odbierania chaotycznych nieprzewidywalnych bodźców. To umożliwiło uczenie neuronów. Gdy myliły się w sterowaniu „wiosłem”, otrzymywały nieprzewidywalną informację zwrotną, czyli elektryczną stymulację odbiegającą od tego, co rejestrowały wcześniej. By tego uniknąć, opanowały Ponga w zaledwie pięć minut.

– Wykazaliśmy, że możemy wchodzić w interakcje z żywymi neuronami w taki sposób, by zmusić je do zmodyfikowania swojej aktywności – podkreślił dr Brett Kagan, główny autor pracy i główny naukowiec Cortical Lab. – To początek nowego rozdziału w rozumieniu inteligencji. Dotyczy nie tylko podstawowych aspektów tego, co to znaczy być człowiekiem, ale również, co to znaczy być żywym, rozumnym i przetwarzać informacje w dynamicznym, stale zmieniającym się świecie – dodał. 

– Wkroczyliśmy na zupełnie nowe, nieznane terytorium – wtórował mu dr Hon Weng Chong, jeden ze współautorów badań. – Jak powiedział jeden z naszych współpracowników, nie codziennie zdarza się, że budzisz się i tworzysz nową gałąź nauki. 

Zdjęcie mikroskopowe przedstawia matrycę „porośniętą" neuronami. fot. Cortical Lab

Syntetyczna biologiczna inteligencja

Naukowcy są zdania, że ich eksperyment może w przyszłości doprowadzić do powstania zupełnie nowych metod poszukiwania i testowania nowych leków. A także do opracowania nowego rodzaju inteligentnych systemów obliczeniowych. Ich artykuł w „Neuron” zaczyna się od zdania: „wykorzystanie mocy obliczeniowej żywych neuronów do stworzenia syntetycznej biologicznej inteligencji, wcześniej istniejące wyłącznie w science fiction, może być w zasięgu ludzkich możliwości”. 

Na razie badacze mają bardziej praktyczne plany. Zamierzają nauczyć neurony grać w inny gry, a także sprawdzić, jak będą sobie z tym radziły pod wpływem różnych leków oraz alkoholu. 

Źródła: Neuron, EurekAlert, Wired