Вчені виростили живий мозок всередині електроніки

Дослідники з Принстонського університету створили пристрій, у якому живі нейрони буквально вростають у тривимірну електронну сітку. Десятки тисяч клітин оточили мікроскопічні провідники й електроди, почали обмінюватися сигналами та з часом сформували керовану біологічну нейронну мережу, здатну розпізнавати електричні патерни. Результати роботи 23 квітня опублікував журнал Nature Elec­tron­ics.

Раніше спроби поєднати мозкові клітини з обчислювальною технікою зводилися або до плоских культур на поверхні чіпа, або до об’ємних скупчень нейронів із датчиками зовні. Команда Принстона обрала принципово інший підхід — спочатку виготовила гнучкий каркас із тонких металевих провідників, вкритих майже невагомим шаром епоксидної смоли, а потім виростила нервову тканину всередині цієї конструкції. Покриття виявилося достатньо м’яким, щоб не пошкоджувати клітини, і водночас достатньо міцним, щоб електроніка залишалася працездатною.

Створений пристрій отримав назву 3D micro-instru­ment­ed neur­al net­work device, або скорочено 3D-MIND. Електроніка в ньому не просто спостерігає за нейронами ззовні, а пронизує всю мережу зсередини й зчитує сигнали на різних рівнях одночасно. Це забезпечило точнішу реєстрацію активності та можливість стимулювати окремі ділянки, відстежуючи, як зв’язки між клітинами змінюються й зміцнюються. Спостереження тривали понад шість місяців.

Після тривалого моніторингу вчені перейшли до практичних обчислювальних завдань. На мережу подавали електричні імпульси з різними просторовими та часовими патернами, а алгоритм навчали читати відповідь нейронів. В одному експерименті система розрізняла пари просторових патернів, в іншому — часові послідовності. В обох випадках біологічна мережа навчилася відрізняти один сигнал від іншого.

Головна перевага підходу — енергетична. Сучасні системи штучного інтелекту потребують колосальних обчислювальних потужностей, тоді як людський мозок розв’язує порівнянні завдання при радикально меншому споживанні енергії. Керівник дослідження Тянь-Мін Фу прямо називає енергоефективність одним із найближчих вузьких місць у розвитку ШІ: за його словами, мозок витрачає приблизно в мільйон разів менше потужності, ніж нинішні обчислювальні системи при схожих задачах.

Нині пристрій із Принстона не може замінити звичайні процесори — система розпізнає обмежені набори сигналів, а масштабування живої мережі до складніших завдань ще належить перевірити. Проте експеримент довів, що нейрони можна не просто вирощувати поруч з електронікою, а вбудовувати в об’ємну архітектуру, програмувати стимуляцією й використовувати як повноцінне обчислювальне середовище.

Для нейронаук така платформа також може виявитися цінною. Перший автор статті Кумар Мрітунджай вважає, що тривимірні біологічні нейронні мережі допоможуть вивчати обчислювальні принципи мозку, розвиток нервових зв’язків і можливі механізми неврологічних захворювань. У більш віддаленій перспективі подібні м’які інтерфейси можуть стати основою імплантів, які взаємодіятимуть із нервовою тканиною мовою електричних сигналів — набагато тонше, ніж сучасні пристрої, що грубо зчитують активність ззовні.