Postęp w dziedzinie neurotechnologii i bioinformatyki prowadzi do powstawania systemów, które łączą żywe komórki z tradycyjną elektroniką. Najnowszy eksperyment australijskiego start-upu biotechnologicznego Cortical Labs pokazuje, jak daleko zaszła ta dziedzina. Naukowcy stworzyli hybrydowy system, w którym 200 000 żywych ludzkich neuronów połączono z układem krzemowym, a następnie wykorzystano go do sterowania postacią w kultowej grze komputerowej Doom z 1993 roku. Choć eksperyment ma charakter demonstracyjny, pokazuje potencjał nowej klasy technologii określanej jako programowalna biologia lub wetware computing.
Z tego artykułu dowiesz się…
- jak naukowcy połączyli 200 000 ludzkich neuronów z układem krzemowym, tworząc hybrydowy komputer biologiczny
- W jaki sposób komórki mózgowe nauczyły się nawigować w środowisku kultowej gry Doom
- Dlaczego eksperyment stanowi ważny krok w rozwoju tzw. obliczeń biologicznych (wetware)
- Jakie przyszłe zastosowania mogą mieć systemy łączące biologię i elektronikę
Hybrydowy komputer biologiczny CL-1
Kluczowym elementem eksperymentu był układ scalony CL-1, będący częścią komputera neuronowego opracowanego przez Cortical Labs. System działa jako pomost pomiędzy światem cyfrowym, a biologicznym. Układ przekształca dane generowane przez grę komputerową w sygnały elektryczne, które mogą zostać odebrane przez hodowane w laboratorium neurony. Z kolei aktywność neuronalna jest odczytywana przez matrycę mikroelektrod i ponownie konwertowana na sygnały cyfrowe sterujące postacią w grze.
Aby stworzyć taki system, naukowcy wyhodowali 200 000 ludzkich komórek mózgowych na specjalnej matrycy mikroelektrod. W ten sposób powstał biologiczno-elektroniczny układ zdolny do odbierania bodźców i reagowania na nie w czasie rzeczywistym. Eksperyment dostarczył dowodu, że żywe neurony mogą być trenowane do wykonywania określonych zadań w środowisku cyfrowym. Jak podkreślił Brett Kagan, dyrektor naukowy i operacyjny Cortical Labs:
Było to przełomowe wydarzenie, ponieważ stanowiło dowód adaptacyjnego, zorientowanego na cel uczenia się w czasie rzeczywistym.
Od Ponga do Dooma – ewolucja biologicznych komputerów
Eksperyment z grą Doom nie był pierwszym projektem tego typu realizowanym przez Cortical Labs. Już w 2021 roku firma zaprezentowała system zdolny do gry w klasyczną grę Pong. W tamtym projekcie wykorzystano ponad 800 000 neuronów, które zostały połączone z układem elektronicznym. Komórki nauczyły się interpretować sygnały sensoryczne i sterować paletkami gry.
Proces ten wymagał jednak ponad półtora roku intensywnej pracy nad sprzętem oraz algorytmami sterowania. Eksperyment z Doomem stanowi kolejny etap rozwoju tej technologii. Gra ta jest znacznie bardziej złożona, ponieważ przedstawia trójwymiarowe środowisko wymagające nawigacji, identyfikacji celów oraz podejmowania decyzji w czasie rzeczywistym.
Jak neurony „zobaczyły” Doom bez oczu
Jednym z największych wyzwań było przełożenie obrazu z gry na sygnały, które neurony mogłyby interpretować. Komórki mózgowe nie posiadają przecież oczu ani tradycyjnego systemu sensorycznego. Problem rozwiązano poprzez stworzenie interfejsu programistycznego w Pythonie, który konwertuje dane wizualne na wzorce elektryczne stymulujące neurony.
Co ciekawe, kluczową część tego rozwiązania opracował niezależny programista Sean Cole, który miał minimalne doświadczenie w obliczeniach biologicznych. Zadanie, które wcześniej wydawało się niezwykle złożone, udało się rozwiązać w zaledwie tydzień. Dzięki temu interfejsowi neurony zaczęły interpretować sygnały i reagować na nie poprzez zmianę swojej aktywności elektrycznej. Ta aktywność była następnie tłumaczona na polecenia cyfrowe sterujące postacią w grze. W efekcie biologiczny system był w stanie:
- poruszać się po mapie gry
- identyfikować przeciwników
- oddawać strzały
- reagować na zmieniające się warunki w czasie rzeczywistym
Czy biologiczne procesory mogą konkurować z AI?
Choć system nie osiąga jeszcze poziomu umiejętności profesjonalnych graczy, eksperyment ujawnił interesującą właściwość. Według badaczy biologiczne neurony uczyły się sterowania grą szybciej niż klasyczne systemy sztucznej inteligencji oparte wyłącznie na krzemie. Może to wynikać z naturalnej zdolności sieci neuronalnych do adaptacji i uczenia się na podstawie bodźców.
Naukowcy zakładają, że wraz z rozwojem nowych algorytmów oraz ulepszeniem interfejsów komunikacyjnych biologiczne procesory mogą stopniowo zbliżać się wydajnością do tradycyjnych systemów obliczeniowych.
Wetware computing – nowa generacja technologii
Systemy łączące komórki biologiczne z elektroniką określa się mianem wetware computing. W przeciwieństwie do klasycznych komputerów wykorzystują one zdolności adaptacyjne żywych neuronów. Warto zauważyć, że w ludzkim mózgu znajduje się dziesiątki miliardów neuronów, podczas gdy w omawianym eksperymencie wykorzystano jedynie 200 000 komórek.
Mimo tak niewielkiej skali system potrafił reagować na bodźce i podejmować działania w dynamicznym środowisku gry. Zdaniem badaczy takie rozwiązania mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w wielu obszarach, w tym:
- sterowaniu robotami i protezami
- systemach autonomicznych
- analizie danych w czasie rzeczywistym
- badaniach nad funkcjonowaniem mózgu
Szczególnie obiecująca jest zdolność biologicznych systemów do radzenia sobie z niepewnością oraz zmiennymi warunkami, które często stanowią wyzwanie dla klasycznych algorytmów komputerowych.
Doom jako technologiczny „test wytrzymałości”
Gra Doom od lat pełni specyficzną rolę w świecie technologii. Ze względu na swoją popularność oraz stosunkowo prostą architekturę stała się swoistym testem możliwości nowych platform obliczeniowych. Programiści uruchamiali ją już na wielu nietypowych systemach, m.in.:
- urządzeniach AGD
- kalkulatorach
- testach CAPTCHA
- dokumentach PDF
- a nawet systemach biologicznych
Dlatego sukces eksperymentu z neuronami nie jest jedynie ciekawostką technologiczną. Pokazuje on, że biologiczne systemy obliczeniowe zaczynają osiągać poziom funkcjonalności umożliwiający realną interakcję ze środowiskiem cyfrowym.
Cortical Labs – firma stojąca za biologicznym komputerem CL-1
Za przełomowym eksperymentem stoi australijski start-up biotechnologiczny Cortical Labs z siedzibą w Melbourne. Firma od kilku lat rozwija koncepcję tzw. syntetycznej inteligencji biologicznej (Synthetic Biological Intelligence – SBI), czyli systemów obliczeniowych łączących żywe neurony z tradycyjną elektroniką krzemową.
Kluczowym produktem firmy jest komputer biologiczny CL-1, który integruje wyhodowane w laboratorium ludzkie neurony z układem scalonym i specjalnym środowiskiem programowym. W systemie tym komórki mózgowe rosną na krzemowym chipie i komunikują się z nim poprzez impulsy elektryczne, umożliwiające zarówno stymulację, jak i odczyt aktywności neuronalnej.
CL-1 jest określany jako pierwszy na świecie komputer biologiczny zdolny do uruchamiania kodu na żywych neuronach. W jego wnętrzu znajduje się system podtrzymywania życia komórek – z kontrolą temperatury, filtracją odpadów i dostarczaniem składników odżywczych – dzięki czemu neurony mogą funkcjonować nawet przez kilka miesięcy.
Technologia ta rozwija wcześniejszy projekt DishBrain, w którym hodowane neurony nauczyły się grać w klasyczną grę Pong. Tamten eksperyment był pierwszym dowodem na to, że biologiczne sieci neuronowe mogą uczyć się w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego z systemem komputerowym. W serwisie Alert Medyczny opisywaliśmy już ten projekt w artykule: Australijczycy stworzyli komputer biologiczny CL1 z żywych, ludzkich neuronów
Obecny eksperyment z grą Doom stanowi naturalną kontynuację tych badań. Pokazuje on, że biologiczne procesory mogą wykonywać coraz bardziej złożone zadania i reagować na dynamiczne środowiska cyfrowe. Co istotne, twórcy CL-1 rozwijają również platformę Cortical Cloud, która umożliwia zdalne programowanie biologicznych systemów neuronowych poprzez API. Oznacza to, że w przyszłości badacze i programiści mogą wykorzystywać takie systemy w podobny sposób, jak dziś korzysta się z chmury obliczeniowej.
Potencjalne zastosowania technologii w medycynie
Choć demonstracja z grą Doom ma charakter technologicznej demonstracji możliwości systemu, prawdziwy potencjał biologicznych komputerów może ujawnić się w medycynie i badaniach biomedycznych. Systemy takie jak CL-1 umożliwiają badanie zachowania prawdziwych ludzkich neuronów w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Dzięki temu naukowcy mogą analizować sposób, w jaki komórki nerwowe reagują na różne bodźce, leki czy zmiany środowiska biologicznego.
Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań jest modelowanie chorób neurologicznych, takich jak:
- choroba Alzheimera
- choroba Parkinsona
- epilepsja
- zaburzenia neurodegeneracyjne
Biologiczne komputery mogą umożliwić obserwowanie w czasie rzeczywistym, jak zmienia się aktywność neuronalna pod wpływem konkretnych związków chemicznych. W efekcie mogą przyspieszyć proces odkrywania i testowania nowych leków.
Technologia ta może również ograniczyć konieczność prowadzenia badań na zwierzętach. Systemy oparte na ludzkich neuronach dostarczają bardziej reprezentatywnych danych dotyczących funkcjonowania ludzkiego mózgu niż modele zwierzęce.
Kolejnym potencjalnym kierunkiem jest rozwój interfejsów mózg–komputer oraz bardziej zaawansowanych systemów neuroprotetycznych. Hybrydowe układy biologiczno-elektroniczne mogą w przyszłości pomóc w:
- sterowaniu protezami kończyn
- rehabilitacji neurologicznej
- rozwijaniu nowych terapii dla pacjentów po udarach mózgu
Zdolność biologicznych neuronów do uczenia się, adaptacji i pracy przy bardzo niskim zużyciu energii sprawia, że technologia ta może stać się ważnym elementem przyszłej infrastruktury badań biomedycznych.
W stronę biologiczno-cyfrowej przyszłości
Eksperyment Cortical Labs stanowi jeden z najbardziej spektakularnych przykładów integracji biologii z technologią informatyczną. Choć na razie ma charakter eksperymentalny, wskazuje kierunek rozwoju przyszłych systemów obliczeniowych.
Hybrydowe komputery biologiczne mogą w przyszłości uzupełniać klasyczne procesory, szczególnie w zadaniach wymagających adaptacyjnego uczenia się oraz przetwarzania złożonych danych sensorycznych.
Główne wnioski
- 200 000 ludzkich neuronów wyhodowanych na matrycy mikroelektrod zostało połączonych z układem scalonym CL-1, tworząc biologiczno-cyfrowy system zdolny do sterowania grą Doom.
- Eksperyment przeprowadził australijski start-up Cortical Labs, który wcześniej w 2021 roku nauczył podobny system gry w Pong z wykorzystaniem ponad 800 000 komórek mózgowych.
- Nowy interfejs programistyczny w Pythonie pozwolił przekształcić dane wizualne gry w sygnały elektryczne, które neurony mogły interpretować i na ich podstawie podejmować działania w czasie rzeczywistym.
- Badanie stanowi ważny krok w rozwoju wetware computing, czyli technologii łączącej biologię i elektronikę, która w przyszłości może znaleźć zastosowanie m.in. w robotyce, neurotechnologii i systemach autonomicznych.
Źródło:
- Cortical Labs
