Подписаться
Биомолекула

Биокомпьютеры и понг: искусственные вычислительные системы на основе нервных клеток

Биокомпьютеры и понг: искусственные вычислительные системы на основе нервных клеток

  • 41
  • 0,0
  • 0
  • 0
Добавить в избранное print
Новость

Рисунок в полном размере.

сгенерировано нейросетью Midjourney

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Стремительное распространение нейросетей в наши дни привело к более углубленному изучению альтернативных полностью цифровым компьютерам моделей. На определенном типе задач человеческий мозг обладает на порядок большей вычислительной производительностью, чем кристаллический процессор. Это и послужило вдохновением для создания системы, базированной на живых нейронах и способной к машинному обучению. Названная органоидом, она контактирует с кремниевым чипом для связи с внешней средой. За счет своей структуры разработка может оказаться эффективнее цифровых компьютеров и стать ведущей в области нейросетей.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2024/2025

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2024/2025.

BIOCAD

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

—... Ты меня не слушаешь от слова совсем. — Резкое замечание прервало односторонний разговор, не оставляя собеседнику и шанса продолжать молчать.

— Я ничего не понимаю в твоих азотных удобрениях. Хватит, у меня уже мозги кипят. Может, поговорим о чем-то другом? Например, о прошедшей олимпиаде? — протянул мужской голос, изо всех сил стараясь сгладить углы и направить беседу в другое русло. — Какое соревнование тебе понравилось больше всего?

— Об олимпиаде? И это, по-твоему, интереснее моих грядок?

— По крайней мере, я хоть что-то об этом знаю, — повар сложил последнюю только что помытую тарелку на полку и повернулся к приятелю.

— Я понял... Думаю, прыжки на батуте. Это было впечатляюще.

— По мне, прыжки на батуте — это не спорт. А вот игра в пинг-понг... — легкая ухмылка чувствовалась в голосе.

— Видел я этих спортсменов. Готов поспорить, мы бы сыграли лучше, — садовник сложил руки на груди.

— Не зазнавайся, Мими.

— Ну, пойдем же к столу!

Товарищи неторопливо прошли через открытую настежь дверь и встали по противоположные стороны темно-синего стола, стоящего в просторной гостиной с окнами, выходящими на главную площадь небольшого промышленного городка. Мими провел пальцем по белым линиям разметки, схватил две ракетки и кинул одну своему сопернику. Пусс невысоко подбросил легкий красный шарик и, размахнувшись, ударил в центр, пустив мячик в игру. Пока хозяин поместья, зажиточный владелец молокозавода, отсутствовал в командировке, домработники не пренебрегали возможностью расслабиться. Размеренный стук долго разносился по пустынному помещению, иногда ускоряясь, иногда, напротив, замедляясь.

— Ты всегда говорил, что пинг-понг ассоциируется у тебя с детством, — издалека начал Мими. Дождавшись утвердительного кивка, он хотел было продолжить гнуть свою линию, но после сильного паса молчавшего до этого игрока мячик отлетел к стене, заставив проигравшего отложить разговор. Покачав головой, тот быстро развернулся и подошел к шарику. Садовник наклонился за ним, его легкий пластмассовый корпус с тихим гудением согнулся, позволяя белой поблескивающей руке взять мячик, обхватив его черными шершавыми подушечками пальцев, сделанными из мягкой резины. Вытянувшись, игрок снова посмотрел на оппонента и начал подходить к столу, попутно продолжая излагать свою мысль, — Но ты же знаешь, что это было никакое не «детство»?

Мими вернул шарик в игру, начав с низкой крученой подачи, заставляя Пусса легонько проехаться выдвижными колесиками по полу, дабы отбить мяч.

— Формально, конечно, нет. Но посмотри на это в общих чертах. 2022 год, группа австралийских ученых наблюдают за тем, как маленький комочек нервных клеток мыши методом проб и ошибок пытается отбить веслом небольшой мячик в созданной игровой среде [1]. Представь, как исследователи радовались каждому успешному раунду, представь улыбки на их лицах. Разве не похоже это на родителей, преданно и неустанно пытающихся научить свое дитя ходить или говорить «мама»? И из этого комочка вырос я. Да, ты снова начнешь возражать: «Что значит ‘вырос’? Ты никак не связан с тем сгустком нервной ткани, не выдумывай», — но пойми, эта разработка стала толчком к развитию биокомпьютеров, что в итоге привело к созданию нас с тобой, и это я называю взрослением, — воодушевление чувствовалось в голосе Пусса, можно было подумать, что он вовсе забыл об игре, но шарик продолжал ритмично отскакивать от поверхности стола.

План строения органоида на чипе

Рисунок 1А. План строения органоида на чипе. Смотрите продолжение в крутилке!

адаптировано из [1]

Один из способов выращивания органоида

Рисунок 1Б. Один из способов выращивания органоида.

адаптировано из [1]

— Не очень-то и заботливые родители, получается. Ты хоть помнишь, как проходило обучение? «Тебя», нейрональную культуру, выращенную из пятнадцатидневного эмбриона мыши, посадили на кремниевый чип и начали настоящую психологическую пытку.

— Как грубо и категорично.

— Раз уж ты ассоциируешь кучку нервных клеток грызуна с человеческим тоддлером, по-другому я назвать этот процесс не могу. Теория заключалась в том, что «ребенок», или, правильнее сказать, органоид, имеет «убеждения» о состоянии мира, а обучение включает обновление этих убеждений или активное изменение мира, что делает его менее удивительным. Кремниевый чип Dishbrain [1] создавал симуляцию аркадной игры понг, определяя положение мячика расположением электрических сигналов. Органоид же обратными электрическими сигналами контролировал локацию весла. Где же пытка, спросишь ты? Дело в том, какой именно способ обучения выбрали наши «лучшие родители 2022»: при удачном раунде органоиду давали предсказуемую обратную связь, при неудачном — непредсказуемую. В закрытой системе мозг, или же его подобие, тратит почти все силы на предсказывание будущего, поэтому обучение было довольно успешным. Но представь применение этой методики на человеке: он вскоре лишится рассудка, и поминай как звали.

Обучение органоида в имитированной среде Понг

Рисунок 2. Обучение органоида в имитированной среде Понг.

адаптировано из [1]

— Все ты воспринимаешь буквально, топчешь красивый образ, доводя каждую деталь до абсурда. Думаешь, я не понимаю, для чего проектировался? Я просто хочу почувствовать, что хотя бы мои создатели не относились ко мне как к умной мультиварке.

— И долго твоя иллюзия продержится? Посмотри уже правде в глаза и прими, что мы никогда не станем для людей полноценными членами общества, тем более не будем для них «детьми». Биологические нейронные сети (БНС), вдохновленные человеческим мозгом, просто оказались эффективнее цифровых: для управления сравнительной мощностью БНС потребляют в сотни тысяч раз меньше энергии [2]. Более того, они объединяют хранение данных с операциями в рамках нейронной сети естественным образом, это как если бы процессор и блок памяти компьютера слились воедино, что уменьшило время обработки информации. Поэтому такую систему и засунули в дешевую железяку-разнорабочего. — После долгой паузы Мими вздохнул, — Ладно, прости меня. На самом деле, меня даже заинтересовало твое приторно романтичное сравнение... Напоминает другое исследование, тоже, кстати, опубликованное на заре развития биокомпьютеров.

— И что же за исследование? Давай-ка, просвети меня.

— Знаешь, люди не помнят ничего, что происходило с ними в раннем детстве, и мы тоже обрели память не сразу. Разработка Brainoware [2], подарившая нам кратковременную память, появилась через год после Dishbrain. Ее главной задачей было улучшить и расширить возможности уже имевшейся системы. Первое, что мы услышали, мало походило на восторженный лепет родителей: это были восемь мужских голосов, произносящих японские гласные. Мы смогли запомнить и позже распознать их — и это стало настоящим новаторством в сфере биокомпьютеров. Но та кратковременная память все еще больше походила на память цифрового компьютера, чем человека... — Мими поймал мячик, — Что-то мне надоело играть, пойдем. — Приятели сложили ракетки в подставку и направились на второй этаж.

Распознавание речи системой Brainoware

Рисунок 3. Распознавание речи системой Brainoware.

адаптировано из [2]

— Ты опять будешь возмущаться, но я все равно скажу: Brainoware всегда была для меня маленьким лучиком свободы.

— Свободы? Пусс, ты, как всегда, отменно шутишь. Какая может быть свобода, если от рождения до поломки нам суждено работать на этих...

— Я объясню. Тогда обучение органоида стало бесконтрольным, ученые перестали управлять электронными сигналами внутри нас! Вычислительная система превратилась в черный ящик, и это — зачаток для появления моего, твоего сознания, сознания каждой нейросети нашего типа [2].

— И толк в этом сознании?

— Предпочел бы не существовать? — Пусс сел на кожаное кресло, положив руки на подлокотники, и повернул голову, взглянув на стоящий поблизости цветочный горшок. — Это денежное дерево должно быть таким вялым? Вы, сударь, лодырь...

— Стой, — Мими повернул голову. Еле слышные ранее голоса снаружи дома становились все громче, и сейчас товарищи уже отчетливо могли различать выкрики толпы, кровью и плотью которым служили алюминий и пластик.

Домработники ближе подошли к окну, выглянув на улицу, ведущую к главной площади. Не толпа, четкий сформированный строй шагал прямо к старенькому, недавно перекрашенному дому мэрии; многие несли плакаты разных размеров, от обилия которых рябило в глазах. Пусс обескураженно смотрел на мелькающие слова про пролетариат, свободу и человечность. Товарищи переглянулись.

Примечание от авторов: «пуҫ мими» (чувашский) — «мозг».

Литература

  1. Brett J. Kagan, Andy C. Kitchen, Nhi T. Tran, Forough Habibollahi, Moein Khajehnejad, et. al.. (2022). In vitro neurons learn and exhibit sentience when embodied in a simulated game-world. Neuron. 110, 3952-3969.e8;
  2. Hongwei Cai, Zheng Ao, Chunhui Tian, Zhuhao Wu, Hongcheng Liu, et. al.. (2023). Brain organoid reservoir computing for artificial intelligence. Nat Electron. 6, 1032-1039.

Комментарии