Срез мозга умершего человека тоже может играть на пианино!
Недавно группа французских учёных подключила ткань мозга после смерти к механической руке, заставив её научиться имитировать игру человека.
Они взяли сохранившую активность мозговую ткань из мозга умершего человека, поместили её в чашку Петри, подключили электроды, микрофон и бионическую механическую руку.
После обучения, когда человек нажимал клавишу, мозговая ткань могла "слышать" ноту и затем управлять механической рукой, чтобы воспроизвести тот же звук.
И для этого есть видео-подтверждение.
Честно говоря, изначально это исследование обсуждало довольно серьёзный вопрос ИИ:
Можно ли использовать естественную способность биологических нейронов к обучению и их сверхвысокую энергоэффективность для создания новой гибридной системы ИИ?
Но ключевые слова "мозг после смерти", "срез мозга", "механический протез", "гибридный ИИ" вместе трудно не ассоциировать с киберпанком.
После публикации исследования оно быстро вызвало дискуссии.
Один блогер подробно проанализировал видео эксперимента, отметив, что хотя такая работа естественным образом сопровождается этическими спорами и определённой "мрачностью", пересечение нейронауки и ИИ также может продвинуть когнитивную науку, исследования неврологических заболеваний и медицины.
Многие пользователи сети, следуя за этим экспериментом, уже дофантазировались до будущих супер-индивидуумов, механических протезов и даже философских вопросов о том, на чём именно основывается сознание.
Однако, давайте не будем спешить обсуждать "мозг в колбе".
Потому что по-настоящему интересное в этом исследовании, возможно, не в том, что мёртвый мозг вдруг начал играть на пианино.
А в том, что исследователи впервые поместили кусочек реальной мозговой ткани взрослого человека в замкнутую систему, способную воспринимать, действовать и снова учиться.
Так как же им это удалось?
Мозг человека изначально является более эффективной вычислительной системой
Чтобы лучше понять, что именно делает это исследование, давайте добавим необходимый контекст.
Как упоминалось выше, по сравнению с мозгом человека, современные искусственные нейронные сети, работающие на чипах ИИ, в некотором смысле всё ещё остаются очень "неэффективной" системой обучения.
Во-первых, самое очевидное — энергопотребление. Мозг взрослого человека потребляет примерно 20 Вт. А самый мощный в мире суперкомпьютер потребляет уже десятки мегаватт.
Можно сказать, что для получения того же количества токенов человеческий мозг гораздо более экономичен, чем ИИ.
Во-вторых, в плане эффективности обучения мозг человека обладает способностью, которой нет у ИИ: учиться на небольшом количестве примеров и быстро обобщать.
Например, AlphaGo, чтобы победить Ли Седоля, нуждалась в обучении на более чем 150 000 партий.
Если считать по 8 часов игры в день, это эквивалентно тому, что человек непрерывно тренируется более 100 лет, что намного превышает реальный опыт любого человеческого игрока.
А такие языковые модели, как GPT-3, для обучения требуют объёма данных, эквивалентного тому, что человек читает по 5 электронных книг в день в течение 250 лет подряд.
Поэтому сегодняшний ИИ, хоть и силён, но многие его способности по-прежнему по своей сути зависят от обработки огромных объёмов данных и вычислительных мощностей.
В отличие от этого, человеку часто требуется лишь очень ограниченный опыт, чтобы научиться новым действиям, концепциям и связям.
Поэтому в последние годы появилось направление, которое привлекает всё больше внимания:
Раз искусственные нейронные сети имитируют мозг, нельзя ли просто подключить настоящие нейроны в вычислительную систему?
Это так называемые гибридные системы ИИ.
Ранее исследователи в основном пытались использовать двумерные культуры нейронов и мозговые органоиды, но первые с трудом формируют стабильную нейропластичность, а нейронные цепи вторых относительно незрелы, к тому же сильно различаются между образцами.
Итак, эта французская группа выбрала другой материал: эксплантаты мозговой ткани взрослого человека после смерти, то есть OPAB.
Его главное отличие в том, что это не модель мозга, выращенная заново из стволовых клеток, а настоящая ткань из мозга взрослого человека, поэтому она сохраняет зрелые типы клеток, структуру ткани и часть нейронных связей.
Ранее команда уже доказала, что такие срезы мозга, получая кислород и глюкозу, могут продолжать поддерживать нейронную активность in vitro.
Теперь оставался только один вопрос: Может ли он продолжать учиться после отделения от тела?
И тогда исследователи решили просто снабдить его "рукой" и "ухом".
Снабдить срез мозга "рукой" и "ухом"
В целом система "срез мозга играет на пианино" не сложна.
В экспериментальной установке исследователи сначала поместили OPAB на микроэлектродную решётку. Затем из неё случайным образом выбрали три электрода в качестве "двигательных электродов", подключив их к трём пальцам механической руки.
Три пальца, в свою очередь, соответствуют трём нотам на электронном пианино: ЛЯ, СИ и ДО.
Как только активируется определённый двигательный электрод, соответствующий палец сгибается и нажимает клавишу. На этом этапе это эквивалентно подключению "руки" к срезу мозга.
Далее нужно снабдить его "ухом". После того как механическая рука нажимает клавишу, расположенный рядом микрофон улавливает звук.
Декодер звука распознаёт, какая именно нота была сыграна — ЛЯ, СИ или ДО, — и затем стимулирует три соответствующих "сенсорных электрода" на срезе мозга.
Таким образом, формируется замкнутый цикл: срез мозга генерирует двигательный сигнал → механическая рука нажимает клавишу → микрофон слышит звук → звук снова преобразуется в электрическую стимуляцию → передаётся обратно в срез мозга.
С точки зрения среза мозга это очень похоже на то, как младенец впервые познаёт своё тело.
При рождении младенец не знает, что произойдёт после сокращения определённой мышцы. Он будет постоянно беспорядочно двигать руками и ногами, а затем через зрение, осязание и слух наблюдать за результатами этих действий.
У этого процесса в робототехнике есть очень образное название: Motor Babbling, двигательное лепетание.
А задача исследователей — перенести этот процесс в чашку Петри.
Двунаправленная нейропластичность
Конкретно, на этапе обучения система будет случайным образом стимулировать один из двигательных электродов.
После стимуляции соответствующий палец механической руки сгибается и нажимает клавишу. Затем микрофон слышит эту ноту и преобразует её в стимуляцию, отправляя её обратно соответствующему сенсорному электроду.
Например, стимулируется электрод A. Сгибается указательный палец, нажимается ЛЯ. Микрофон слышит ЛЯ, и сенсорный электрод, соответствующий ЛЯ, снова стимулируется.
Одно действие, сразу за которым следует сенсорный результат, повторяется 300 раз в день, три дня подряд, чтобы сформировать мышечную память у среза мозга.
Стоит отметить, что во всём процессе нет "ты ответил правильно", "ты ошибся", нет и функции вознаграждения.
Исследователи просто многократно заставляли два события происходить последовательно во времени. Остальное они предоставили самим нейронам.
И возможность этого опирается на самый базовый механизм обучения мозга —
Нейропластичность.
Проще говоря, связь между нейронами, которые часто активируются вместе, постепенно усиливается. Таким образом, после многократных тренировок срез мозга медленно начинает связывать:
"Этот палец" и "этот звук" вместе.
Но что ещё более важно, эта связь не является однонаправленной. То есть срез мозга может научиться не только тому, что: "Когда я двигаю этим пальцем, я слышу этот звук."
Но и наоборот: "Когда я слышу этот звук, я активирую этот палец."
Таким образом, всё превратилось из простой ассоциации между действием и ощущением в активное подражание обучающейся системы.
Чтобы проверить эту гипотезу, во время финального теста человек-экспериментатор начал случайным образом исполнять ноты ЛЯ, СИ и ДО.
На этот раз двигательные электроды не стимулировались первыми. Вместо этого микрофон напрямую отправлял ноты, сыгранные человеком, в срез мозга.
Если предыдущая ассоциация действительно была усвоена, то после того, как срез мозга "услышит" ЛЯ, он должен в ответ активировать ранее связанную с ЛЯ двигательную область, после чего механическая рука нажмёт ЛЯ, завершив таким образом имитацию.
И результат... это действительно произошло.
В исследовании в общей сложности использовалось 30 OPAB от 3 доноров, из них 16 вошли в основной тест.
В первый день обучения средняя точность имитации этой системы составляла всего 31.22%. Поскольку нот всего три, точность при полностью случайном угадывании составляет 33.3%.
Другими словами, поначалу срез мозга ничему не научился.
Но после трёх дней обучения к 4-му дню средняя точность возросла до 58.5%. Из 16 образцов 3 OPAB смогли на 100% правильно имитировать все три ноты.
Ещё 7 стабильно научились двум из них. В итоге 62.5% OPAB успешно научились как минимум двум нотам.
Здесь стоит подчеркнуть одну деталь. Эти 62.5% — не лучший результат, полученный исследователями после тщательного отбора электродов.
Напротив, чтобы доказать, что эта связь не просто использует уже существующие связи внутри среза мозга, а сформирована в результате обучения, исследователи намеренно случайным образом выбирали двигательные и сенсорные электроды.
Кроме того, чтобы исключить влияние программных и аппаратных модулей, исследовательская группа провела несколько контрольных экспериментов.
Результаты показали: при замене на неподготовленные электроды точность снова падала до случайного уровня; при блокировании синаптической передачи с помощью лекарств или заражении вирусом Тахына, который нарушает нейронную активность, уже сформированная способность к имитации также заметно снижалась.
То есть, носителем этой группы сенсорно-двигательных ассоциаций являются изменившиеся нейронные связи самой мозговой ткани, а не внешняя программа.
Более того, эта "память" может сохраняться довольно долго.
Из 5 OPAB, за которыми наблюдали в долгосрочной перспективе, 4 сохранили результат обучения через 17 дней после окончания тренировок, и два из них по-прежнему могли на 100% правильно имитировать все три ноты.
Конечно, до "мозга-компьютера" ещё далеко.
Весь эксперимент включал всего три группы связей палец-нота, диаметр среза мозга составлял около 5 мм, а распознавание звука и управление механической рукой по-прежнему зависели от традиционных модулей ИИ.
Поэтому более точно было бы сказать, что это не означает, что кусочек мозга после смерти внезапно "научился играть на пианино", а то, что сохранившая активность мозговая ткань взрослого человека в искусственно созданном сенсорно-двигательном замкнутом цикле сформировала ранее не существовавшие новые ассоциации и использовала эту группу ассоциаций для выполнения имитации.
Настоящее "век живи — век учись".
Ссылка на исследование[1]https://www.researchsquare.com/article/rs-9638576/v1
Статья из WeChat официального аккаунта "Квантовый бит" (量子位), автор: Фронтальные технологии (关注前沿科技)
