Ученые подключили биомодель центральной нервной системы мыши к управлению роботом
Ранее исследователи уже пробовали использовать фрагменты нервных систем рыб и других животных для управления роботами, однако применение именно органоидов в подобной роли до сих пор практически не рассматривалось.
Источник: Новости науки. Изображение создано с помощью нейросети.
МОСКВА, 20 февраля /Новости науки/. Инженеры и биотехнологи сумели задействовать органоид мозга — миниатюрную модель центральной нервной системы мыши — в качестве одного из элементов системы управления роботом: «живая» нейросеть помогала машине сохранять равновесие во время движения. По мнению авторов, этот подход приближает создание биокомпьютеров, способных обучаться и адаптироваться к новым задачам, сообщила пресс-служба Университета Калифорнии в Санта-Крузе (UCSC).
Технологию разработала команда под руководством профессора UCSC Мирчи Теодореску, изучавшая, как органоиды мозга обучаются, обрабатывают информацию и как в них передаются сигналы между отдельными нервными клетками. Ранее исследователи уже пробовали использовать фрагменты нервных систем рыб и других животных для управления роботами, однако применение именно органоидов в подобной роли до сих пор практически не рассматривалось.
«Мы поместили органоид на чип, который позволяет стимулировать выбранные нейроны и регистрировать их активность. С инженерной точки зрения важно, что мы не просто снимаем сигналы с клеток, а строим биоэлектрический интерфейс с обратной связью: реакция органоида на стимулы влияет на следующую “порцию” входящих сигналов. В результате обучение становится физическим процессом, который можно напрямую исследовать — чего крайне трудно добиться при работе с реальным мозгом», — пояснил профессор Теодореску, слова которого приводит пресс-служба вуза.
Опираясь на эту концепцию, ученые поставили перед органоидом классическую задачу робототехники — научиться удерживать баланс у движущегося робота с высоким центром массы, расположенным значительно выше точки опоры. Иллюстрацией такого случая может служить роботизированная тележка с перевернутым маятником — длинной жердью, на вершине которой закреплен тяжелый предмет, например поднос с блюдами.
Исследователи специальным образом закодировали данные о движении робота и положении маятника и передавали их в органоид через управляющий алгоритм, выполнявший роль «учителя» для природной нейросети. Алгоритм оценивал, насколько успешно культура нейронов удерживала баланс в последних 20 раундах эксперимента, и отправлял корректирующие сигналы, помогавшие рукотворному аналогу коры мозга мыши точнее выполнять вычисления.
Такое подкрепляющее обучение показало высокую результативность: без него органоид справлялся с удержанием баланса лишь в 4,5% случаев, тогда как после тренировки успешными были уже 46% попыток. По мнению авторов, схожим образом можно обучать нейронные культуры решению и других сложных вычислительных задач, что ускорит понимание механизмов работы мозга и позволит предложить новые подходы для робототехники.
Об органоидах
Органоиды мозга — это трехмерные клеточные структуры, которые по устройству, организации и характеру взаимодействий между клетками напоминают мозг человека или других млекопитающих. Их широко применяют для изучения развития нейродегенеративных и психических заболеваний, оценки действия лекарств на мозговые ткани, а также для исследования принципов работы и организации центральной нервной системы.
Технологию разработала команда под руководством профессора UCSC Мирчи Теодореску, изучавшая, как органоиды мозга обучаются, обрабатывают информацию и как в них передаются сигналы между отдельными нервными клетками. Ранее исследователи уже пробовали использовать фрагменты нервных систем рыб и других животных для управления роботами, однако применение именно органоидов в подобной роли до сих пор практически не рассматривалось.
«Мы поместили органоид на чип, который позволяет стимулировать выбранные нейроны и регистрировать их активность. С инженерной точки зрения важно, что мы не просто снимаем сигналы с клеток, а строим биоэлектрический интерфейс с обратной связью: реакция органоида на стимулы влияет на следующую “порцию” входящих сигналов. В результате обучение становится физическим процессом, который можно напрямую исследовать — чего крайне трудно добиться при работе с реальным мозгом», — пояснил профессор Теодореску, слова которого приводит пресс-служба вуза.
Опираясь на эту концепцию, ученые поставили перед органоидом классическую задачу робототехники — научиться удерживать баланс у движущегося робота с высоким центром массы, расположенным значительно выше точки опоры. Иллюстрацией такого случая может служить роботизированная тележка с перевернутым маятником — длинной жердью, на вершине которой закреплен тяжелый предмет, например поднос с блюдами.
Исследователи специальным образом закодировали данные о движении робота и положении маятника и передавали их в органоид через управляющий алгоритм, выполнявший роль «учителя» для природной нейросети. Алгоритм оценивал, насколько успешно культура нейронов удерживала баланс в последних 20 раундах эксперимента, и отправлял корректирующие сигналы, помогавшие рукотворному аналогу коры мозга мыши точнее выполнять вычисления.
Такое подкрепляющее обучение показало высокую результативность: без него органоид справлялся с удержанием баланса лишь в 4,5% случаев, тогда как после тренировки успешными были уже 46% попыток. По мнению авторов, схожим образом можно обучать нейронные культуры решению и других сложных вычислительных задач, что ускорит понимание механизмов работы мозга и позволит предложить новые подходы для робототехники.
Об органоидах
Органоиды мозга — это трехмерные клеточные структуры, которые по устройству, организации и характеру взаимодействий между клетками напоминают мозг человека или других млекопитающих. Их широко применяют для изучения развития нейродегенеративных и психических заболеваний, оценки действия лекарств на мозговые ткани, а также для исследования принципов работы и организации центральной нервной системы.
