Naukowcy ze szwajcarskiego startupu FinalSpark stworzyli wirtualny świat zawierający model motyla. Podłączyli do niego 16 organoidów ludzkiego mózgu i pozwolili ludziom na interakcję z nimi przez internet. Gdy internauta kliknął w przestrzeń wokół wirtualnego motyla, oprogramowanie najpierw sprawdzało, czy kliknięcie nastąpiło w polu widzenia motyla, a następnie do akcji wchodziły mini mózgi, sterując motylem, by poleciał w kierunku miejsca, w którym nastąpiło kliknięcie.
Organoidy to hodowane w laboratorium malutkie wersje różnych narządów, które zachowują kluczowe cechy anatomiczne pełnowymiarowych organów. Takie trójwymiarowe modele są nieocenioną pomocą w badaniach, w których użycie żywych mózgów czy nerek jest niemożliwe lub nieetyczne. Uczeni w ten sposób uzyskują żywy narząd do testowania różnych koncepcji. Chodzi tu chociażby o testowanie reakcji na leki lub obserwowanie rozwoju w niesprzyjających warunkach. Badania na organoidach dają naukowcom szansę dogłębnego poznania narządów i zrozumienia przyczyn wielu chorób.
Organoid mózgu to trójwymiarowy model ludzkiego mózgu wyhodowany w laboratorium z komórek macierzystych. Te miniaturowe mózgi są wielkości ziarnka grochu lub mniejsze i zawierają różne rodzaje komórek mózgowych zorganizowanych w strukturę, która naśladuje rozwijający się mózg. Chociaż nie mają pełnej złożoności dorosłego ludzkiego mózgu, organoidy te mogą rozwijać podstawowe obwody neuronowe i wykazywać spontaniczną aktywność elektryczną. Naukowcy wykorzystują takie organoidy do badania rozwoju ludzkiego mózgu i zaburzeń neurologicznych, ale nie tylko.
W czerwcu tego roku badacze z FinalSpark połączyli 16 organoidów ludzkiego mózgu w „żywy komputer”. Organoidy w tym biokomputerze działały podobnie jak tradycyjny układ scalony – wysyłały i odbierały sygnały za pośrednictwem neuronów, które działały jak obwody (więcej na ten temat w tekście: 16 organoidów mózgu połączonych w biokomputer). W nowych pracach udało im się połączyć organoidy mózgu do wirtualnej rzeczywistości, gdzie sterowały wirtualnym motylem.
Rezultaty oraz opis prac ukazał się na łamach pisma „Frontiers In Artificial Intelligence” (DOI: 10.3389/frai.2024.1376042).
Neuroplatform
Naukowcy z FinalSpark stworzyli system Neuroplatform, który umożliwia badaczom zdalną interakcję z organoidami ludzkiego mózgu. Składa się z 16 organoidów mózgu, ale twórcy systemu twierdzą, że można ją w krótkim czasie rozszerzyć o kolejne organoidy. Te mini-mózgi są utrzymywane w inkubatorach w temperaturze 37 stopni Celsjusza, w warunkach naśladujących te wewnątrz czaszki. Każdy organoid, składający się z około 10 tys. neuronów, łączy się z wieloelektrodową matrycą w celu dwukierunkowej komunikacji.
Platforma zawiera również zaawansowany system mikroprzepływowy i mechanizm umożliwiający precyzyjne dostarczanie składników odżywczych, neuroprzekaźników i neuromodulatorów, takich jak dopamina i serotonina, ściśle odzwierciedlając w ten sposób środowisko funkcjonalne ludzkiego mózgu.
Badania te eksplorują koncepcję inteligencji zależnej od modelu świata. Obejmuje to osadzanie organoidów mózgowych w środowiskach wirtualnych w celu zbadania ich zdolności do wnioskowania wzorców z danych, działania na ich podstawie i uczenia się z tych interakcji.
Sterowanie wirtualnym motylem
Aby zaprezentować możliwości systemu Neuroplatform, naukowcy opracowali wirtualne środowisko, które pozwala użytkownikom pośrednio „kontrolować” organoid mózgu w czasie rzeczywistym. W tym celu badacze stworzyli model motyla, którego torem lotu można sterować za pomocą klikania w wirtualną przestrzeń wokół niego.
Organoidy mózgowe „obserwują” sygnały wejściowe, które w tym przypadku przyjmują formę kliknięć na scenie wirtualnego świata. Powiązane oprogramowanie najpierw oblicza, czy kliknięcie nastąpiło w polu widzenia motyla. Następnie neurony organoidów reagują na bodźce, sterując modelem motyla, by poleciał w kierunku miejsca kliknięcia. Natomiast gdy kliknięcie znajdzie się poza polem widzenia wirtualnego motyla, ten porusza się chaotycznie, naśladując naturalne zachowanie motyla.
– Należy podkreślić, że chociaż te funkcje ruchu są zaimplementowane w oprogramowaniu, decyzja o użyciu jednej lub drugiej jest napędzana przez reakcję organoidu mózgu na stymulację – wyjaśnił Daniel Burger, programista współpracujący z FinalSpark nad projektem systemu Neuroplatform. – Opierając się na koncepcji motyla postrzegającego cel i decydującego się na lot w jego kierunku lub na losowe kręcenie się wokół, chcieliśmy stworzyć demo, aby przekształcić to proste zachowanie w wizualnie oszałamiające i wysoce interaktywne doświadczenie. Naszym celem było opracowanie dostępnej, wysoce wydajnej i angażującej demonstracji dla odbiorców niebędących naukowcami, skutecznie prezentującej możliwości naszego systemu kontrolowanego przez organoidy mózgowe – dodał.
Połączone mini-mózgi można traktować jako biologiczne sieci neuronowe. Jeśli technologia zostanie udoskonalona może oferować różne korzyści. Przede wszystkim biologiczne sieci neuronowe, jak twierdzi Burger, mają znacznie niższe zużycie energii. Ludzki mózg działa przy około 20 watach. Co więcej, charakteryzują się lepszymi zdolnościami poznawczymi i adaptacyjnymi od tradycyjnych sieci. Są też lepsze w rozpoznawanie wzorców, radzeniu sobie z niejednoznacznością i szumem i mają znacznie większy potencjał do samonaprawy.
– To znaczący krok w kierunku realizacji koncepcji wcześniej ograniczonych do science fiction, takich jak Matrix. Otwiera nowe ścieżki badań nad działaniem funkcji poznawczych i przesyłaniem umysłu – zaznaczył Burger.
Źródło: IFLScience, The Register, fot. CC0/ Pixabay