Биокомпьютеры и понг: искусственные вычислительные системы на основе нервных клеток
11 февраля 2025
Биокомпьютеры и понг: искусственные вычислительные системы на основе нервных клеток
- 41
- 0
- 0
Рисунок в полном размере.
сгенерировано нейросетью Midjourney
-
Авторы
-
Редакторы
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 BIOCAD](/img/content/logo-biocad.png)
Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.
![«Альпина нон-фикшн» «Альпина нон-фикшн»](/img/content/logo-alpina.png)
«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.
— 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 Обучение органоида в имитированной среде Понг](/img/content/4185/4185-02.obuchenie-igry-v-pong.png)
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 Распознавание речи системой Brainoware](/img/content/4185/4185-03.raspoznavanie-rechi-Brainoware.png)
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
- 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;
- 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.