تتعلم Minibrains التي نمت من الخلايا العصبية البشرية والفأرية العزف على Pong
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
نجح دماغ صغير اصطناعي مصنوع من الخلايا العصبية البشرية والفأرية في تعلم لعب لعبة الفيديو “بونج” بعد أن ربطها الباحثون بمصفوفة أقطاب كهربائية يتحكم فيها الكمبيوتر. هذه هي المرة الأولى التي تكمل فيها خلايا الدماغ المعزولة من كائن حي مهمة مثل هذه ، مما يشير إلى أن هذه القدرة على التعلم لا تقتصر على أدمغة سليمة تمامًا مقفلة داخل جماجم الحيوانات.
في الدراسة الجديدة ، قام الباحثون بتطوير شبكة عصبية اصطناعية فوق صفوف من الأقطاب الكهربائية الموجودة داخل حاوية صغيرة ، أطلقوا عليها اسم DishBrain. أرسل برنامج كمبيوتر إشارات كهربائية تنشط مناطق معينة من الخلايا العصبية. طلبت هذه الإشارات من الخلايا العصبية أن “تلعب” لعبة الفيديو القديمة “Pong” ، والتي تتضمن ضرب نقطة متحركة ، أو “كرة” ، بخط صغير ، أو “مجداف” في 2D. ثم قام برنامج الكمبيوتر الخاص بالباحث بإعادة توجيه بيانات الأداء إلى الخلايا العصبية عبر الإشارات الكهربائية ، والتي تخبر الخلايا بما إذا كانت قد أصابت الكرة أو أخطأت.
وجد الباحثون أنه في غضون خمس دقائق فقط ، بدأت الخلايا العصبية بالفعل في تغيير الطريقة التي تحرك بها المضرب لزيادة عدد مرات ضرب الكرة. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تعليم شبكة عصبية بيولوجية من صنع الإنسان لإكمال مهمة موجهة نحو الهدف بشكل مستقل ، كما كتب الباحثون في ورقة بحثية جديدة نُشرت في 12 أكتوبر في المجلة. عصبون (يفتح في علامة تبويب جديدة).
متعلق ب: كيف يخزن الدماغ الذكريات؟
قال المؤلف الرئيسي للدراسة بريت كاغان ، كبير المسؤولين العلميين في شركة Cortical Labs ، وهي شركة خاصة في ملبورن ، أستراليا ، لـ Live Science ، إن الدراسة الجديدة هي الأولى التي “تسعى صراحة إلى إنشاء واختبار والاستفادة من الذكاء البيولوجي الاصطناعي”. يأمل الباحثون أن يكون عملهم نقطة انطلاق لمجال جديد تمامًا من البحث.
Minibrains
يتكون جهاز DishBrain ، الذي طورته شركة Cortical Labs ، من حاوية دائرية صغيرة ، بعرض حوالي 2 بوصة (5 سم) ، مبطنة بمصفوفة تحتوي على 1،024 قطبًا كهربائيًا نشطًا يمكنها إرسال واستقبال الإشارات الكهربائية. قدم الباحثون مزيجًا من الخلايا العصبية البشرية والفأرية فوق هذه الأقطاب الكهربائية. تم إقناع الباحثين بالخلايا العصبية في تنمية روابط ومسارات جديدة حتى تتحول إلى شبكة معقدة من مخ الخلايا التي غطت الأقطاب الكهربائية بالكامل.
نمت خلايا الفأر في مزرعة من خلايا عصبية صغيرة مستخلصة من الأجنة النامية. تم إنشاء الخلايا العصبية البشرية باستخدام متعدد القدرات الخلايا الجذعية – خلايا فارغة قادرة على التحول إلى أي نوع آخر من الخلايا – مشتقة من خلايا الدم والجلد التي تبرع بها متطوعون.
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
وقال كاجان إن الشبكة العصبية تحتوي في المجموع على 800 ألف خلية عصبية. بالنسبة للسياق ، هذا هو نفس عدد الخلايا العصبية الموجودة في دماغ النحل ، أضاف. على الرغم من أن الشبكة العصبية الاصطناعية كانت متشابهة في الحجم مع أدمغة اللافقاريات الصغيرة ، إلا أن هيكلها البسيط ثنائي الأبعاد أساسي أكثر بكثير من الأدمغة الحية ، وبالتالي قللت بشكل طفيف من قوة الحوسبة مقارنة بالأدمغة الحية.
لعب اللعبة
خلال التجارب ، استخدم الباحثون برنامجًا جديدًا للكمبيوتر ، يُعرف باسم DishServer ، مدمجًا مع الأقطاب الكهربائية داخل DishBrain لإنشاء “عالم ألعاب افتراضي” يمكن للخلايا العصبية أن تلعبه “Pong” بداخله ، كما قال Kagan. قد يبدو هذا عالي التقنية ، لكن في الواقع ، لا يختلف كثيرًا عن لعب لعبة فيديو على التلفزيون.
باستخدام هذا القياس ، يمكن اعتبار مصفوفة الأقطاب الكهربائية مثل شاشة التلفزيون ، حيث يمثل كل قطب كهربائي بكسلًا على الشاشة ؛ يمكن اعتبار برنامج الكمبيوتر مثل قرص اللعبة الذي يوفر الكود للعب اللعبة ؛ يمكن التفكير في واجهة القطب العصبي داخل DishBrain مثل وحدة التحكم في الألعاب وأجهزة التحكم التي تسهل اللعبة ؛ ويمكن اعتبار الخلايا العصبية الشخص الذي يلعب اللعبة.
عندما ينشط برنامج الكمبيوتر قطبًا كهربائيًا معينًا ، فإن هذا القطب يولد إشارة كهربائية يمكن أن تفسرها الخلايا العصبية ، على غرار الطريقة التي يضيء بها بكسل على الشاشة ويصبح مرئيًا لشخص يلعب لعبة. من خلال تنشيط عدة أقطاب في نمط ما ، يمكن للبرنامج إنشاء شكل ، في هذه الحالة كرة ، يتحرك عبر المصفوفة أو “شاشة التلفزيون”.
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
يراقب قسم منفصل من المصفوفة الإشارات الكهربائية الصادرة عن الخلايا العصبية استجابةً لإشارات “الكرة”. يمكن بعد ذلك تفسير إشارات الخلايا العصبية بواسطة برنامج الكمبيوتر واستخدامها لمناورة المجداف في عالم اللعبة الافتراضي. يمكن اعتبار هذه المنطقة من واجهة القطب العصبي وحدة تحكم اللعبة.
إذا كانت الإشارات العصبية تعكس الإشارات التي تحرك الكرة ، فإن المضرب سيضرب الكرة. ولكن إذا لم تتطابق الإشارات ، فسوف تفوت. يصدر برنامج الكمبيوتر إشارة تغذية مرتدة ثانية إلى الخلايا العصبية المتحكمة لإخبارهم ما إذا كانوا قد ضربوا الكرة أم لا.
تعليم الخلايا العصبية
يمكن اعتبار إشارة التغذية المرتدة الثانوية بمثابة نظام مكافأة يستخدمه برنامج الكمبيوتر لتعليم الخلايا العصبية أن تتحسن في ضرب الكرة.
بدون نظام المكافأة ، سيكون من الصعب للغاية تعزيز السلوك المرغوب ، مثل ضرب الكرة ، وتثبيط السلوك غير المرغوب فيه ، مثل فقدان الكرة. إذا تُركت الخلايا العصبية في DishBrain لأجهزتها الخاصة ، فإنها ستحرك المضرب بشكل عشوائي دون أي اعتبار لمكان الكرة لأنها لا تحدث فرقًا بالنسبة للخلايا العصبية إذا ضربت الكرة أم لا.
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
للتغلب على هذه المشكلة ، لجأ الباحثون إلى نظرية تُعرف باسم مبدأ الطاقة الحرة ، “التي تقترح أن الخلايا في هذا المستوى تحاول تقليل عدم القدرة على التنبؤ في بيئتها” ، كما قال المؤلف المشارك في الدراسة كارل فريستون ، عالم الأعصاب النظري في جامعة كوليدج لندن. في المملكة المتحدة ، قال في أ بيان (يفتح في علامة تبويب جديدة). كان فريستون أول باحث طرح فكرة مبدأ الطاقة الحرة في ورقة بحثية نُشرت عام 2009 في المجلة الاتجاهات في العلوم المعرفية (يفتح في علامة تبويب جديدة).
إلى حد ما ، “تحاول الخلايا العصبية إنشاء نموذج يمكن التنبؤ به للعالم” ، كما أخبر كاجان Live Science. هذا هو المكان الذي تلعب فيه إشارة التغذية المرتدة الثانوية ، التي تخبر الخلايا العصبية ما إذا كانت قد ضربت الكرة أو أخطأت فيها.
عندما تضرب الخلايا العصبية الكرة بنجاح ، يتم إرسال إشارة التغذية المرتدة بجهد وموقع مشابهين للإشارات التي يستخدمها الكمبيوتر لتحريك الكرة. ولكن عندما تفقد الخلايا العصبية الكرة ، تضرب إشارة التغذية الراجعة جهدًا عشوائيًا ومواقع متعددة. وفقًا لمبدأ الطاقة الحرة ، تريد الخلايا العصبية تقليل كمية الإشارات العشوائية التي تتلقاها ، لذلك تبدأ في تغيير كيفية تحريك “المضرب” بالنسبة إلى “الكرة”.
في غضون خمس دقائق من تلقي هذه الملاحظات ، زادت الخلايا العصبية من عدد مرات ضربها للكرة. بعد 20 دقيقة ، كانت الخلايا العصبية قادرة على تجميع مجموعات قصيرة معًا حيث تضرب الكرة باستمرار وهي ترتد عن “الجدران” في اللعبة. يمكنك أن ترى مدى سرعة تقدم الخلايا العصبية في هذا المحاكاة عبر الإنترنت.
