Ce « cerveau » compte 800 000 cellules, et vous pouvez apprendre à jouer au tennis de table en 5 minutes et battre l'IA !

Combien de cellules cérébrales faut-il pour jouer à des jeux vidéo ?

Lorsque vous entendez cette phrase, votre première réaction doit être : c'est un casse-tête.

Non, il existe une vraie réponse à cette question. Tout cela grâce à un système de réseau neuronal appelé DishBrain.

Si vous jouez au tennis de table, le nombre de cellules cérébrales nécessaires est d'environ 800 000.

Non, il a fallu 5 minutes à 800 000 cellules du cerveau humain pour apprendre à « jouer au tennis de table ».

Récemment, une équipe de recherche australienne a placé 800 000 cellules cérébrales humaines et de souris vivantes dans une boîte de culture, les a connectées à des électrodes et a joué au jeu d'arcade classique Pong.

Les scientifiques l'appellent le premier "DishBrain" sensible.

Le but de cette recherche est de créer une intelligence biologique synthétique (SBI) afin de fournir de meilleures méthodes pour les recherches futures sur les maladies neurologiques.

La dernière recherche a été publiée mercredi dans la revue Neuron.

Adresse papier :

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

"Cerveau dans une assiette" apprend à jouer à des jeux en 5 minutes

Nous le savons, le cerveau humain compte 860 milliards de neurones. Grâce aux synapses, les signaux électriques d'un neurone sont transmis au neurone suivant.

Cependant, les gens ne les considèrent pas comme des processeurs d'informations.

Mais les neurones sont un système magique capable de traiter des informations en temps réel avec une consommation d'énergie extrêmement faible.

DishBrain se compose d'une seule couche de neurones humains cultivés au-dessus d'un réseau de microélectrodes qui stimule ces cellules cérébrales.

Alors, d'où viennent ces « cellules du cerveau humain » ?

La première préoccupation de chacun est de savoir si le processus d’obtention de cellules cérébrales est conforme aux normes de recherche.

Le réseau de cellules neuronales DishBrain au travail

En fait, ce n'est pas comme vous le pensez, extraire des neurones et des cellules cérébrales directement du cerveau humain, ce serait trop contraire à l'éthique.

Les scientifiques ont apporté une solution : utiliser l’induction humaine.

Différenciez les cellules souches pluripotentes (hiPSC) en cellules neuronales corticales, puis cultivez-les. Parallèlement, les chercheurs ont également utilisé des cellules de souris pour la culture.

L'image ci-dessous montre la différence entre les cellules corticales de souris et humaines dans une boîte de culture (50 μm).

Parmi eux, le DAPI bleu représente toutes les cellules colorées, le NeuN vert représente les neurones, la tubuline (BIII) marque les axones et la MAP marque les dendrites.

On constate que les cellules corticales de souris (A) peuvent croître et se maintenir pendant plusieurs mois dans un milieu riche en nutriments, et former une morphologie complexe avec un grand nombre de dendrites et de connexions axonales.

Une fois que les cellules souches pluripotentes induites par l'homme (hiPSC) sont différenciées en une seule couche de neurones corticaux hétérogènes actifs, ces neurones peuvent également présenter des propriétés fonctionnelles matures et former des structures denses avec une connexion de cellules gliales de soutien.

Alors, une fois les cellules cultivées, comment leur faire jouer au tennis de table ?

Évidemment, nous avons besoin d'un appareil sophistiqué.

La rainure circulaire au centre de l'appareil est l'endroit où sont placées les cellules cérébrales et les électrodes.

Les chercheurs de Cortical Labs ont utilisé le réseau multi-électrodes MaxOne fourni par Maxwell Biosystems, une société suisse, pour des expériences.

MaxOne est une plateforme d'électrophysiologie haute résolution avec 26 000 électrodes de platine disposées dans une zone de 8 mm*8 mm, avec une résolution maximale de 220*120.

Le système est basé sur la technologie des semi-conducteurs à oxyde complémentaire (CMOS) et peut enregistrer jusqu'à 1024 numéros de canaux et une stimulation allant jusqu'à 32 unités.

Comment les neurones raisonnent-ils activement pour terminer le jeu ?

Afin d'apprendre à DishBrain à jouer au tennis de table, l'équipe de recherche a demandé à ce neurone de jouer à une partie de tennis de table en solo.

Les chercheurs utilisent des signaux électriques pour stimuler les neurones sur le réseau d'électrodes et enregistrer leur état d'activité.

Parmi eux, des signaux électriques sont envoyés à différentes zones du réseau pour représenter la position de la balle de tennis de table. Les microélectrodes des deux côtés de la plaque indiqueront si la balle est du côté gauche ou droit de la raquette, et le signal. la fréquence reflète la distance de la balle.

Les neurones de la moitié supérieure du réseau d'électrodes sont chargés de détecter la position de la balle de tennis de table, et les neurones de la moitié inférieure sont divisés en blocs gauche et droit et sont responsables de la transmission de la distance parcourue par la raquette de tennis de table. et vers le bas.

Ensuite, DishBrain peut générer des signaux électriques pour déplacer la raquette afin d'attraper la balle.

Mais au début, ils ont mal performé.

Pour bien jouer au jeu, les neurones ont besoin de feedback. L’équipe a donc développé un logiciel de feedback qui utilise des électrodes pour critiquer DishBrain lorsqu’il rate la balle.

Afin d'optimiser l'erreur, l'équipe de Cortical Labs utilise principalement la formule de codage prédictif qui minimise l'énergie libre variationnelle, également connue sous le nom de filtre de Kalman.

Cela a amélioré le système lors du jeu de tennis de table. En seulement cinq minutes, DishBrian a appris à déplacer la raquette d'avant en arrière en fonction de la position de la balle.

Hé, il semble que l'IA de DeepMind ait également joué à ce jeu ? C’est vrai, en 2013, DeepMind a démontré pour la première fois les performances de son algorithme d’apprentissage par renforcement de l’intelligence artificielle à travers un jeu Atari.

À l’heure actuelle, les performances de DishBrain en matière de jeux ne sont toujours pas aussi bonnes que celles de l’algorithme d’apprentissage par renforcement de DeepMind, développé depuis tant d’années. Mais il a fallu 90 minutes à l’IA pour apprendre à jouer à ce jeu, alors que cette couche de cellules cérébrales n’a mis que 5 minutes pour bien jouer au jeu.

De cette manière, l'utilisation de la puissance de calcul des neurones cérébraux vivants pour créer une intelligence biologique synthétique (SBI) est complétée.

Fait intéressant, à l’avenir, les chercheurs affirment qu’ils testeront également les effets de l’alcool et des drogues sur la capacité de DishBrain à jouer au tennis de table.

Le Dr Brett Kagan de Cortical Labs a déclaré :

Nous essayons de créer une courbe dose-réponse avec l'éthanol - en faisant essentiellement "ivrer" ces cellules neuronales pour voir si elles jouent davantage comme les gens le font lorsqu'ils boivent de l'alcool.

Les ordinateurs peuvent-ils imiter le cerveau humain ?

À l’heure actuelle, la stratégie de DishBrain en matière de tennis de table est encore lente et unilatérale. Les laisser remporter le championnat d’e-sport semble assez lointain, mais ces études reflètent le potentiel de l’intégration des tissus vivants avec la technologie du silicium.

Il s'agit de la première expérience d'intelligence biologique synthétique à démontrer que les neurones ajustent leur activité pour accomplir des tâches spécifiques. Et ils peuvent apprendre à mieux accomplir leurs tâches s’ils reçoivent des commentaires.

Cette recherche a un grand potentiel dans la modélisation des maladies, la découverte de médicaments, la compréhension du fonctionnement du cerveau, la génération de l'intelligence et l'étude de la manière dont les médicaments affectent l'activité cérébrale.

Brett Kagan, développeur de DishBrain et neuroscientifique de la startup australienne de biotechnologie Cortical Labs, a déclaré : « Nous avons montré que nous pouvons interagir avec des neurones biologiques vivants afin qu'ils modifient leur activité pour produire quelque chose qui s'apparente à l'intelligence. » Il s'agit d'une nouvelle direction dans la compréhension de l'intelligence. ", a déclaré Kagan. "Cela nous dit non seulement ce que signifie être humain, mais nous permet également de comprendre ce que signifie être "vivant", ce que signifie être "intelligent", ce que signifie "traiter l'information" et "être sensible". " dans le monde en constante évolution d'aujourd'hui. "

Le neuroscientifique théorique Karl Friston de l'University College de Londres, au Royaume-Uni, a déclaré : "Ce résultat est révolutionnaire en dotant les neurones de la capacité de ressentir, de réagir et d'agir sur le monde."

Il y a quelques années, Friston a développé une théorie appelée principe de l’énergie libre, selon laquelle tous les systèmes biologiques se comportent de manière à réduire l’écart entre les attentes et la pratique ; en d’autres termes, le monde peut devenir plus prévisible.

Théorie de l'énergie libre

Selon la théorie de Friston, en ajustant le comportement, le monde deviendra plus prévisible, et DishBrain le prouve biologiquement.

Kagan a déclaré : "Les expériences de DishBrain créent essentiellement un environnement plus prévisible."

Les expériences de DishBrain ont apporté des possibilités passionnantes à l'humanité, en particulier dans les domaines de l'intelligence artificielle et de l'informatique.

Il faut savoir que le cerveau humain contient environ 80 à 100 milliards de neurones, ce qui est bien plus puissant que n'importe quel ordinateur. Il est difficile pour les meilleurs ordinateurs de reproduire le cerveau humain. La chose la plus proche que nous ayons jusqu'à présent est une puce avec des synapses artificielles conçue par les ingénieurs du MIT, qui nous permet de reproduire 1 % de l'activité cérébrale humaine en utilisant 82 944 processeurs, 1 pétaoctet de mémoire principale et 40 minutes.

MIT Artificial Synapse Chip

Si cette architecture ressemble davantage à un vrai cerveau – peut-être même à un système biologique synthétique comme DishBrain – peut-être que l'objectif des ordinateurs reproduisant le cerveau humain ne sera pas si farfelu.

DishBrain nous permet également de comprendre l'impact de divers médicaments sur le cerveau au niveau cellulaire. Un jour, il pourrait même être possible de créer des médicaments personnalisés pour des patients spécifiques, en utilisant des neurones cultivés de manière inverse à partir de cellules souches cutanées d'un patient.

« Le potentiel de ce résultat est tellement excitant : cela signifie que nous n’avons plus besoin de créer des « jumeaux numériques » pour tester les effets des traitements », a déclaré Fristo.

Jumeau numérique pour des médicaments personnalisés

"En principe, nous disposons désormais du "bac à sable" bionique ultime dans lequel tester les effets des médicaments et des variations génétiques, un bac à sable alimenté par votre cerveau et exactement le même système informatique (neurone ) les éléments trouvés dans mon cerveau en sont constitués."

Par coïncidence, afin de promouvoir la recherche en neurosciences, une étude parue aujourd'hui dans Nature a parfaitement combiné les cerveaux humains et de souris pour créer des organes semblables à ceux du cerveau. .

Dans cette étude, des chercheurs de l'Université de Stanford ont transplanté des cellules souches pluripotentes induites par le cerveau humain dans le cerveau en développement de rats.

Comme le montre l'image, la partie vert vif est l'organoïde cérébral.

Il a été découvert que les organoïdes cérébraux peuvent se développer et mûrir avec le cerveau du rat. En même temps, ces organoïdes développeront progressivement des vaisseaux sanguins pour fournir les nutriments nécessaires à leur propre développement.

Enfin, il fait partie du cerveau en étant partiellement intégré aux circuits neuronaux du cerveau.

Grâce aux organoïdes cérébraux, les scientifiques peuvent manipuler les neurones dans une boîte de Pétri et découvrir les mécanismes à l'origine de maladies neurologiques potentielles.

Commentaires des internautes

"Est-ce que cela signifie qu'il existe une certaine forme de conscience même s'il n'y a pas d'existence ?"

La discussion a soudainement atteint un niveau philosophique...

"Je Je veux être le premier Un homme qui accueille notre nouveau suzerain des cellules cérébrales. "

" Nous avons besoin d'une plus grande boîte de Pétri. "Neuromancien. La combinaison parfaite de technologie et de magie."

"Incroyable, cela me rappelle la conférence TED de David Eagleman. Il croyait que le cerveau humain est un périphérique d'E/S primitif. En tant que bébé, il apprend à traiter les données d'entrée, et à tout moment nous pouvons ajouter une entrée supplémentaire, le cerveau commencera à interpréter les nouvelles données "

" Cela me rappelle l'épisode "Biscuits" de Black Mirror... ça.

"Mais est-ce que tu aimes ce jeu ?"

"J'ai lu des centaines de commentaires et tu es le premier à poser cette question importante !"

"Si ces cellules continuent de s'améliorer, elles deviendront des partisans de Trump d'ici quelques jours. Référence :

https://www.cnet.com/science/live-brain-cells-in-dish-quickly-.learn-to-play-classic-game-pong/

https://www.nature .com/articles/d41586-022-03229-y

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

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