Полуживой Гордон: Робот с мозгом крысы
Действительно, это не совсем обычный робот — набор старых добрых микросхем. Контроллер его находится в небольшой емкости, заполненной питательным бульоном и антибиотиками. Это — 300 тысяч живых нейронов. Живых — значит, общающихся, передающих сигналы через синаптические связи, постоянно возникающие и распадающиеся, передающие друг другу электрохимические сигналы... словом, все так, как у нас в голове. 80 электродов, выведенных из дна емкости, постоянно отслеживают ток, пробегающий между нейронами.
Задаче своей ученые во главе с Кевином Уорвиком (Kevin Warwick) считали управление этой спонтанной электрической активностью нейронов таким образом, чтобы те передавали необходимый сигнал на системы робота. Если, стимулируя нейроны посредством информации из различных сенсоров, этого удастся достичь, — рассуждали они, — можно будет понять многое о функционировании нашего собственного мозга.
Стоит сказать, что группа Уорвика далеко не одинока в этой области. Множество ученых по всему миру работают над культивированием нейронов и созданием на основе полученных культур «гибридов» живой ткани и электроники. О похожем исследовании мы уже рассказывали в заметке «Нейроинтерфейс».
Чтобы создать искусственную «кору головного мозга», ученые выделили нервную ткань из зародыша крысы и добавили в нее ферментов, которые вызывают «отсоединение» нейронов один от другого. Таким путем изолировав нервные клетки, они распределили их тонким слоем и поместили в богатую питательными веществами среду (на подложке с электродами), где они начали понемногу восстанавливать связи между собой. Это уже само по себе стало интересным результатом, показавшим, что нейроны испытывают непреодолимое «влечение» друг к другу, и если им ничто не препятствует, обязательно будут образовывать взаимные связи.
Спустя примерно пять дней ученые зафиксировали паттерны электрической активности, говорившие о том, что плотность синаптических связей стала достаточно высокой. Судя по всему, нейроны вели «беспорядочный огонь», выдавая друг другу ничем не спровоцированные потенциалы действия — своего рода волну возбуждения, которая прокатывается по нейронам. Впрочем, время от времени наблюдалась одновременная согласованная активность клеток — согласованный «залп».
Существуют разные взгляды на природу таких нейронных залпов. Некоторые специалисты считают их проявлением патологии, апеллируя к тому, что особенно часто они наблюдаются при эпилепсии. Другие говорят, что таким образом сеть нейронов сохраняет и проявляет функцию памяти. Но возможно, что залпы — своеобразная судорога, вызванная самым нестерпимым для нейронов мучением — сенсорной депривацией (недостаток входящей информации — чувственных ощущений). Они просто «бесятся» со скуки!
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые подавали, как «брызги», короткие и слабые разряды на различные электроды, контактировавшие с нейронами. Это симулировало входящие данные и заметно снизило частоту появления спонтанных залпов. Похоже, что сенсорные данные определяют постоянную слабую и упорядоченную активность мозговых клеток.
Вдохновленные первым удачным результатом, ученые двинулись дальше и использовали этот «мозг на электродах» для изучения некоторых патологических процессов. Они решили создать робота, движения которого контролировались бы сигналами, исходящими из этой группы нейронов. Затем, — рассуждали они, — мы сможем, применяя к нейронам химические, электрические или механические воздействия, мы посмотрим, как они влияют на их активность и поведение управляемого робота.
Для этого электроды, выходящие из культуры клеток, соединили с выходящими электродами ультразвукового сенсора и стали фиксировать электрическую активность нейронов, которая появляется при получении от него сигналов. Найдя точки, в которых при этом (например, при обнаружении сенсором препятствия) электрическая активность нейронов возрастает, ученые сумели соединить их с электродами, управляющими несложным колесным роботом, на платформе которого и установлен ультразвуковой сенсор. В итоге получилась система, способная под управлением нейронов объезжать препятствия — и получившая ласковое прозвище Гордон (Gordon).
Предположим, датчик говорит о том, что впереди глухая стена и выдает сигнал в 1 В на группу нейронов. Из-за этого в определенной ее части возникает пик активности в 0,1 В, который передается на систему управления и велит колесам поворачивать. При этом вся конструкция разделена на несколько частей: «мозг» сохраняется в стерильной комнате, в идеальных условиях, а связь с роботом поддерживает по беспроводному Bluetooth-соединению.
Ученые проверили «робомозг» в деле: он спокойно объехал деревянное ограждение, и только в 20% случаев сталкивался со стеной. Теперь они намерены сравнить соединения между нейронами до и после таких путешествий и узнать, не усиливаются ли они. Кроме того, интересует, нельзя ли в культуре из примерно 300 тыс. нейронов выделить определенные области, специализирующиеся на разных видах задач (как это имеет место в нашем мозге). И, конечно, они обещают попробовать сконструировать такого робота, живой мозг которого находится на самом железном теле.
В то время, пока одни ученые учатся контролировать робота мозгом, другие поступают наоборот и ищут пути контролировать мозг. Читайте: «Быстрая отключка».
По публикации New Scientist Tech