Muis en menselijke hersencellen in een laboratoriumschaal leren het videospel Pong: Shots . spelen

Een bord met levende hersencellen leerde in de jaren 70 een arcadespel spelen waterpijp.

Ongeveer 800.000 cellen die op een computer waren aangesloten, leerden geleidelijk de locatie van de elektronische bal van het spel te voelen en een virtuele peddel te besturen. Rapporten in het tijdschrift neuron.

De nieuwe prestatie maakt deel uit van een poging om te begrijpen hoe de hersenen leren en hoe computers slimmer kunnen worden gemaakt.

“We hebben grote vooruitgang geboekt op het gebied van siliciumcomputing, maar het is nog steeds rigide en inflexibel”, zegt hij. Brett Kagan, studieauteur en hoofdwetenschappelijk medewerker bij Cortical Labs in Melbourne, Australië. “Dit is iets dat we niet zien in de biologie.”

Bijvoorbeeld, zegt Kagan, zowel computers als mensen kunnen leren een kopje thee te zetten. Maar mensen kunnen wat ze geleerd hebben generaliseren op een manier die een computer niet kan.

“Je bent waarschijnlijk nog nooit bij iemand anders thuis geweest, maar met een beetje onderzoek en inspectie kun je waarschijnlijk een kopje thee zetten zolang ik de ingrediënten heb”, zegt hij. Maar zelfs een zeer krachtige computer zal moeite hebben om deze taak uit te voeren in een onbekende omgeving.

Dus Cortical Labs probeert te begrijpen hoe levende hersencellen dit soort intelligentie verwerven. Kagan zegt dat het experiment van Pong een manier was voor het bedrijf om een ​​belangrijke vraag te beantwoorden over hoe een netwerk van hersencellen leert zijn gedrag te veranderen:

“Als we deze cellen het resultaat van hun acties laten weten, zouden ze dan op de een of andere manier op een doelgerichte manier kunnen veranderen”, zegt Kagan.

Om daar achter te komen, gebruikten de wetenschappers een systeem dat ze ontwikkelden, DishBrain genaamd.

Dit scanning-elektronenmicroscoopbeeld toont een neuronale cultuur die groeit op een multi-elektrodearray met hoge dichtheid. Met dit systeem konden de onderzoekers neuronen trainen om het videospel Pong te spelen.

corticale parameters

Bijschrift verbergen

Ondertitelschakelaar

corticale parameters

Dit scanning-elektronenmicroscoopbeeld toont een neuronale cultuur die groeit op een multi-elektrodearray met hoge dichtheid. Met dit systeem konden de onderzoekers neuronen trainen om het videospel Pong te spelen.

corticale parameters

Een laag levende neuronen wordt gekweekt op een speciale siliconenchip op de bodem van een duimgrote schaal gevuld met voedingsstoffen. De chip, gekoppeld aan een computer, kan elektrische signalen van neuronen detecteren en elektrische signalen aan hen afgeven.

Om het leervermogen van cellen te testen, creëerde een computer Pong, een tweedimensionale versie van tafeltennis die een cultstatus kreeg als een van de eerste en meest elementaire videogames.

Op het videoscherm wordt tafeltennis gespeeld. De zwarte rechthoek definieert de tafel en de witte wijzer vertegenwoordigt het racket van elke speler, dat omhoog of omlaag kan worden bewogen om een ​​witte bal te onderscheppen.

In de vereenvoudigde versie die in het experiment werd gebruikt, was er één peddel aan de linkerkant van de virtuele tafel en was de bal gescheiden van de andere kanten om de peddel te ontwijken.

Om de hersencellen het spel te laten spelen, stuurde de computer signalen naar hen om aan te geven waar de stuiterende bal was. Tegelijkertijd begon ze de informatie te volgen die ze van de cellen ontving in de vorm van elektrische impulsen.

“We namen die informatie en lieten het het pongspel dat ze speelden beïnvloeden”, zegt Kagan. “Zodat ze het racket kunnen verplaatsen.”

In het begin begrepen de cellen de signalen van de computer niet, of wisten ze niet welke signalen de andere kant op stuurden. Ze hadden ook geen reden om het spel te spelen.

Dus hebben wetenschappers geprobeerd cellen te stimuleren met elektrische stimulatie: een goed geordende uitbarsting van elektrische activiteit als ze het goed doen. Toen ze het bij het verkeerde eind hadden, was het resultaat een chaotische stroom witte ruis.

“Als ze de bal raken, geven we ze iets voorspelbaars”, zegt Kagan. “Toen ze het misten, kregen ze iets volkomen onvoorspelbaars.”

De strategie was gebaseerd op principe van vrije energie, waarin staat dat hersencellen willen kunnen voorspellen wat er in hun omgeving gebeurt. Dus ze zullen de voorspelbare stimulus verkiezen boven het onverwachte.

De aanpak is geslaagd. De cellen begonnen te leren hoe ze patronen van elektrische activiteit konden genereren die het racket voor de bal zouden bewegen, en de clusters duurden geleidelijk langer.

Hersencellen hebben nog nooit dit kwaliteitsniveau gehad in een potje Pong. Maar het is intrigerend dat menselijke hersencellen een iets hoger speelniveau leken te bereiken dan hersencellen van muizen, zegt Kagan.

En het spelniveau was geweldig, aangezien elk raster minder cellen bevat dan het brein van een kakkerlak, zegt Kagan.

“Als je een kakkerlak een potje pong zag spelen en hij kon de bal twee keer meer raken dan hij miste, dan zul je erg onder de indruk zijn van deze kakkerlak”, zegt hij.

De bevindingen wijzen op een toekomst waarin biologie computers zal helpen slimmer te worden door de manier waarop ze leren te veranderen, zegt Kagan.

Maar die toekomst is misschien nog ver weg, zegt hij Steve M PotterD., universitair hoofddocent bij Georgia Tech.

“Het idee van een computer met wat live componenten is spannend en begint realiteit te worden”, zegt hij. “Het soort leren dat deze dingen kunnen bereiken, is momenteel echter erg primitief.”

Potter zegt echter dat een systeem waarmee cellen pong konden leren, een geweldig hulpmiddel zou kunnen zijn voor het doen van onderzoek.

“Dit is een soort semi-levend diermodel dat je kunt gebruiken om allerlei mechanismen in het zenuwstelsel te bestuderen, niet alleen om te leren”, zegt hij.