Dieses „Gehirn' hat 800.000 Zellen, und Sie können in 5 Minuten lernen, Tischtennis zu spielen und die KI zu übertreffen!

Wie viele Gehirnzellen werden zum Spielen von Videospielen benötigt?

Wenn Sie diesen Satz hören, muss Ihre erste Reaktion sein: Das ist eine Denksportaufgabe.

Nein, auf diese Frage gibt es eine echte Antwort. Dies alles ist einem neuronalen Netzwerksystem namens DishBrain zu verdanken.

Wenn Sie Tischtennis spielen, beträgt die Anzahl der benötigten Gehirnzellen etwa 800.000.

Nein, 800.000 menschliche Gehirnzellen brauchten 5 Minuten, um „Tischtennis spielen“ zu lernen.

Kürzlich hat ein australisches Forschungsteam 800.000 lebende Gehirnzellen von Menschen und Mäusen in eine Kulturschale gegeben, sie mit Elektroden verbunden und das klassische Arcade-Spiel Pong gespielt.

Wissenschaftler nennen es das erste Lebewesen „DishBrain“.

Der Zweck dieser Forschung besteht darin, synthetische biologische Intelligenz (SBI) zu schaffen, um bessere Methoden für die zukünftige Forschung zu neurologischen Erkrankungen bereitzustellen.

Die neuesten Forschungsergebnisse wurden am Mittwoch in der Zeitschrift Neuron veröffentlicht.

Papieradresse:

https://www.cell.com/neuron/pdfExtended/S0896-6273(22)00806-6

„Brain on a Plate“ lernt in 5 Minuten, Spiele zu spielen

Wir wissen: Das menschliche Gehirn hat 860 Milliarden Neuronen. Über Synapsen werden elektrische Signale von einem Neuron zum nächsten Neuron übertragen.

Menschen betrachten sie jedoch nicht als Informationsverarbeiter.

Aber Neuronen sind ein magisches System, das Informationen in Echtzeit und mit extrem geringem Energieverbrauch verarbeiten kann.

DishBrain besteht aus einer einzelnen Schicht menschlicher Neuronen, die auf einem Mikroelektroden-Array wachsen, das diese Gehirnzellen stimuliert.

Woher kommen also diese „menschlichen Gehirnzellen“?

Ob der Prozess der Gewinnung von Gehirnzellen den Forschungsstandards entspricht, ist möglicherweise die erste Sorge eines jeden.

DishBrain-Neuralzellen-Array bei der Arbeit

Tatsächlich wäre es nicht so, wie Sie denken, Neuronen und Gehirnzellen direkt aus dem menschlichen Gehirn zu extrahieren.

Wissenschaftler haben eine Lösung bereitgestellt: die Verwendung menschlicher Induktion.

Differenzieren Sie pluripotente Stammzellen (hiPSC) in kortikale Neuronenzellen und kultivieren Sie sie dann. Gleichzeitig nutzten die Forscher auch Mauszellen zur Kultivierung.

Das Bild unten zeigt den Unterschied zwischen Maus- und menschlichen Kortikaliszellen in einer Kulturschale (50 μm).

Unter diesen steht blaues DAPI für alle gefärbten Zellen, grünes NeuN für Neuronen, Tubulin (BIII) markiert Axone und MAP markiert Dendriten.

Es ist ersichtlich, dass kortikale Zellen (A) der Maus in einem nährstoffreichen Medium mehrere Monate lang wachsen und erhalten bleiben können und eine komplexe Morphologie mit einer großen Anzahl von Dendriten und axonalen Verbindungen bilden.

Nachdem humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSCs) in eine einzelne Schicht aktiver heterogener kortikaler Neuronen differenziert sind, können diese Neuronen auch ausgereifte funktionelle Eigenschaften aufweisen und dichte Strukturen mit unterstützender Gliazellenverbindung bilden.

Wie bringt man die Zellen, sobald sie kultiviert sind, dazu, Tischtennis zu spielen?

Natürlich brauchen wir ein hochentwickeltes Gerät.

In der kreisförmigen Rille in der Mitte des Geräts werden Gehirnzellen und Elektroden platziert.

Forscher von Cortical Labs nutzten für Experimente das MaxOne-Multielektroden-Array von Maxwell Biosystems, einem Schweizer Unternehmen.

MaxOne ist eine hochauflösende Elektrophysiologie-Plattform mit 26.000 Platinelektroden, die auf einer Fläche von 8 mm * 8 mm angeordnet sind, mit einer maximalen Auflösung von 220 * 120.

Das System basiert auf der Complementary Oxide Semiconductor (CMOS)-Technologie und kann bis zu 1024 Kanalnummern und Stimulationen von bis zu 32 Einheiten aufzeichnen.

Wie denken Neuronen aktiv darüber nach, das Spiel abzuschließen?

Um DishBrain das Tischtennisspielen beizubringen, bat das Forschungsteam dieses Neuron, ein Einzelspieler-Tischtennisspiel zu spielen.

Forscher stimulieren mithilfe elektrischer Signale Neuronen auf dem Elektrodenarray und zeichnen ihren Aktivitätsstatus auf.

Unter anderem werden elektrische Signale an verschiedene Array-Bereiche gesendet, um die Position des Tischtennisballs darzustellen. Die Mikroelektroden auf beiden Seiten der Platte zeigen an, ob sich der Ball auf der linken oder rechten Seite des Schlägers befindet, und geben das Signal an Die Frequenz spiegelt die Entfernung des Balls wider.

Die Neuronen in der oberen Hälfte des Elektrodenarrays sind für die Erfassung der Position des Tischtennisballs verantwortlich, und die Neuronen in der unteren Hälfte sind in linke und rechte Blöcke unterteilt und für die Ausgabe der Distanz des Tischtennisballs verantwortlich Der Schläger bewegt sich auf und ab.

Dann kann DishBrain elektrische Signale erzeugen, um den Schläger zu bewegen und den Ball zu fangen.

Aber zunächst war ihre Leistung sehr schlecht.

Um ein gutes Spiel zu spielen, brauchen Neuronen Feedback. Deshalb entwickelte das Team eine Feedback-Software, die DishBrain mithilfe von Elektroden kritisiert, wenn es den Ball verfehlt.

Um den Fehler zu optimieren, verwendet das Cortical Labs-Team hauptsächlich die prädiktive Codierungsformel, die die freie Variationsenergie minimiert, auch als Kalman-Filter bekannt.

Das verbesserte das System beim Tischtennis. In nur fünf Minuten lernte DishBrian, den Schläger entsprechend der Position des Balls hin und her zu bewegen.

Hey, es scheint, dass die KI von DeepMind dieses Spiel auch gespielt hat? Richtig, im Jahr 2013 demonstrierte DeepMind erstmals die Leistungsfähigkeit seines Algorithmus für künstliches Lernen zur Verstärkung künstlicher Intelligenz anhand eines Atari-Spiels.

Derzeit ist die Leistung von DishBrain beim Spielen noch nicht so gut wie der über so viele Jahre entwickelte DeepMind-eigene Reinforcement-Learning-Algorithmus. Aber die KI brauchte 90 Minuten, um zu lernen, wie man dieses Spiel spielt, während diese Schicht von Gehirnzellen nur 5 Minuten brauchte, um das Spiel gut zu spielen.

Auf diese Weise ist die Nutzung der Rechenleistung lebender Gehirnneuronen zur Schaffung synthetischer biologischer Intelligenz (SBI) abgeschlossen.

Interessanterweise sagen Forscher, dass sie in Zukunft auch die Auswirkungen von Alkohol und Drogen auf die Fähigkeit von DishBrain, Tischtennisspiele zu spielen, testen werden.

Cortical Labs Dr. Brett Kagan sagte:

Wir versuchen, eine Dosis-Wirkungs-Kurve mit Ethanol zu erstellen – im Grunde machen wir diese neuronalen Zellen „betrunken“, um zu sehen, ob sie spielen schlimmer als wenn Leute trinken.

Können Computer das menschliche Gehirn imitieren?

Derzeit ist die Strategie, die DishBrain beim Tischtennis verfolgt, noch langsam und einseitig. Es klingt ziemlich weit entfernt, sie die E-Sport-Meisterschaft gewinnen zu lassen, aber diese Studien spiegeln die Integration von lebendem Gewebe wider und Siliziumtechnologie. Dies ist das erste Experiment zur synthetischen biologischen Intelligenz, das zeigt, dass Neuronen ihre Aktivität anpassen, um bestimmte Aufgaben zu erfüllen. Und sie können lernen, Aufgaben besser zu erledigen, wenn sie Feedback bekommen.

Diese Forschung hat großes Potenzial für die Modellierung von Krankheiten, die Entdeckung von Medikamenten, das Verständnis der Funktionsweise des Gehirns, die Erzeugung von Intelligenz und die Untersuchung, wie Medikamente die Gehirnaktivität beeinflussen.

DishBrain-Entwickler Brett Kagan, Neurowissenschaftler beim australischen Biotech-Startup Cortical Labs, sagte: „Wir haben gezeigt, dass wir mit lebenden biologischen Neuronen interagieren können, um sie dazu zu bringen, ihre Aktivität zu ändern. Dies führt zu so etwas wie Intelligenz.“ „Dies ist eine neue Richtung im Verständnis von Intelligenz“, sagte Kagan. „Es sagt uns nicht nur, was es bedeutet, ein Mensch zu sein, sondern ermöglicht uns auch zu verstehen, was es bedeutet, ‚lebendig‘ zu sein, was es bedeutet, ‚klug‘ zu sein, was es bedeutet, ‚Informationen zu verarbeiten‘ und ‚empfindungsfähig zu sein‘ ' in der sich ständig verändernden Welt von heute.“ Die Welt.“

Vor ein paar Jahren schlug Friston eine Theorie namens „Prinzip der freien Energie“ vor, die besagt, dass sich alle biologischen Systeme auf eine Weise verhalten, die die Lücke zwischen Erwartungen und Praxis überbrückt – mit anderen Worten: Die Welt kann vorhersehbarer werden.

Freie-Energie-Theorie

Nach Fristons Theorie wird die Welt durch die Anpassung des Verhaltens vorhersehbarer, und DishBrain beweist dies biologisch.

Kagan sagte: „Das DishBrain-Experiment schafft im Wesentlichen eine vorhersehbarere Umgebung.“ .

Sie müssen wissen, dass das menschliche Gehirn etwa 80 bis 100 Milliarden Neuronen enthält, was viel leistungsfähiger ist als jeder Computer. Für die besten Computer ist es schwierig, das menschliche Gehirn nachzubilden. Das, was uns bisher am nächsten kommt, ist ein von MIT-Ingenieuren entwickelter Chip mit künstlichen Synapsen, der es uns ermöglicht, 1 % der menschlichen Gehirnaktivität mit 82.944 Prozessoren, 1 Petabyte Hauptspeicher und 40 Sekunden nachzubilden.

MIT Artificial Synapse Chip

Wenn diese Architektur eher wie ein echtes Gehirn wäre – vielleicht sogar eines wie synthetische biologische Systeme wie DishBrain – vielleicht ist das Ziel, Computer das menschliche Gehirn nachzubilden, gar nicht so weit hergeholt.

DishBrain ermöglicht es uns auch, die Wirkung verschiedener Medikamente auf das Gehirn auf zellulärer Ebene zu verstehen. Eines Tages könnte es sogar möglich sein, maßgeschneiderte Medikamente für bestimmte Patienten zu entwickeln, indem Neuronen verwendet werden, die umgekehrt aus den Hautstammzellen eines Patienten kultiviert werden.

„Das Potenzial ist so spannend: Es bedeutet, dass wir keine ‚digitalen Zwillinge‘ mehr erstellen müssen, um die Wirkung von Behandlungen zu testen“, sagte Fristo. „Digitaler Zwilling für personalisierte Medikamente“ ) Elemente, die in meinem Gehirn vorkommen, bestehen aus ihnen.“

Zufälligerweise wurde heute in einer Studie in „Nature“ die Gehirne von Menschen und Mäusen perfekt kombiniert, um die Forschung der Neurowissenschaften zu fördern, um hirnähnliche Organe zu schaffen. .

In der Studie transplantierten Forscher der Stanford University induzierte pluripotente Stammzellen des menschlichen Gehirns in die sich entwickelnden Gehirne von Ratten.

Wie im Bild gezeigt, ist der hellgrüne Teil das Gehirnorganoid.

Es wurde festgestellt, dass sich Gehirnorganoide zusammen mit dem Rattengehirn entwickeln und reifen können. Gleichzeitig entwickeln diese Organoide nach und nach Blutgefäße, um Nährstoffe für ihre eigene Entwicklung bereitzustellen.

Schließlich wird es Teil des Gehirns, indem es teilweise in die neuronalen Schaltkreise des Gehirns integriert wird.

Mit Gehirnorganoiden können Wissenschaftler Neuronen in einer Petrischale manipulieren und die Mechanismen hinter potenziellen neurologischen Erkrankungen herausfinden.

Netizen-Kommentare

„Bedeutet das, dass es irgendeine Form von Bewusstsein gibt, auch wenn es keine „Existenz“ gibt?“

Die Diskussion erreichte plötzlich eine philosophische Ebene...

Ich möchte der erste Mann sein, der unseren neuen Oberherrn der Gehirnzellen willkommen heißt. „

„Wir brauchen eine größere Petrischale.“ „Neuromancer. Die perfekte Kombination aus Technologie und Magie.“ Wenn wir die Eingabedaten verarbeiten und jederzeit weitere Eingaben hinzufügen können, beginnt das Gehirn, die neuen Daten zu interpretieren.

„Aber gefällt dir dieses Spiel?“

„Ich habe Hunderte von Kommentaren gelesen und du bist der Erste, der diese wichtige Frage stellt!“

„Wenn sich diese Zellen weiter verbessern, Sie werden innerhalb weniger Tage zu Trump-Unterstützern

Referenz:

https://www.cnet.com/science/live-brain-cells-in-dish-quickly-. nature.com/articles/d41586-022-03229-y

https://www.engadget.com/brain-cells-pong -rats-182835843.html

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