Naukowcom z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz udało się osiągnąć coś niezwykłego. Ich organoidy korowe, czyli miniaturowe struktury przypominające tkankę mózgową, nauczyły się stabilizować niestabilny, wirtualny kij.
Jak wyglądał trening mini-mózgu?
Zadanie to, znane w świecie robotyki i algorytmów jako problem cartpole, stanowi klasyczny test dla systemów sterowania. Publikacja w czasopiśmie Cell Reports dowodzi, że żywą tkankę neuronalną można ukierunkować na rozwiązywanie takich problemów poprzez starannie zaprojektowane sprzężenie zwrotne. To pierwsza demonstracja aktywnego trenowania organoidów do konkretnego zadania, co otwiera nowe ścieżki w badaniach nad plastycznością mózgu.
Do eksperymentu wykorzystano organoidy powstałe z mysich komórek macierzystych. Nie są to oczywiście myślące, świadome struktury, ale skupiska komórek korowych zdolnych do generowania i odbioru impulsów elektrycznych. Ich najważniejszą cechą jest plastyczność, czyli możliwość zmiany wewnętrznych połączeń pod wpływem stymulacji, co stanowi podstawę procesu uczenia.
Badacze zbudowali system zamkniętej pętli, który dostarczał organoidom elektryczne informacje zwrotne, uzależnione od ich skuteczności w zadaniu. Polegało ono na utrzymaniu wirtualnego kija w pionie za pomocą ruchomego wózka – organoid otrzymywał dane o pozycji kija i musiał wysyłać sygnały sterujące wózkiem.
Kluczowa rola adaptacyjnego sprzężenia zwrotnego. Wyniki mówią same za siebie
Sekretem sukcesu okazał się inteligentny, adaptacyjny system trenujący. Gdy wydajność organoidu spadała przez pięć kolejnych prób w porównaniu do średniej z ostatnich dwudziestu, system aplikował krótkie impulsy stymulacji o wysokiej częstotliwości. Algorytm decydował, które konkretnie neurony powinny je otrzymać, analizując wcześniejsze wzorce, które prowadziły do poprawy.
Kontrast w efektach był uderzający. Organoidy pozbawione sprzężenia zwrotnego osiągały zadowalający poziom biegłości jedynie w 2,3 procent przypadków. Grupa otrzymująca losową stymulację radziła sobie nieco lepiej, ze skutecznością na poziomie 4,4 procent. Prawdziwy przełom nastąpił przy zastosowaniu ciągłego, adaptacyjnego sprzężenia zwrotnego – wtedy organoidy przekraczały próg wysokiej wydajności w imponujących 46 procentach cykli.
Oznacza to ponad dziesięciokrotną poprawę w stosunku do warunków kontrolnych, co można porównać do działania trenera korygującego błędy w czasie rzeczywistym.
Główne ograniczenie to ulotna pamięć. Umiejętności znikały po 45 minutach
Mimo tych obiecujących wyników, eksperyment ujawnił istotną słabość. Organoidy zapominały nabyte umiejętności zatrważająco szybko. Po zaledwie 45 minutach braku aktywności ich wydajność wracała do poziomu wyjściowego, jakby cały trening nigdy nie miał miejsca. To jasno wskazuje, że mamy do czynienia z uczeniem krótkoterminowym, a nie z trwałą reorganizacją sieci neuronalnej.
Z perspektywy naukowej ta właśnie cecha może być jednak cenna. Możliwość wielokrotnego i przewidywalnego przełączania organoidu między stanami pozwala dokładnie badać elementarne mechanizmy plastyczności, eksperymentując na tym samym materiale wielokrotnie.
Warto podkreślić, że celem tych badań wcale nie jest tworzenie biologicznych procesorów czy zastępowanie nimi układów krzemowych. Naukowcy skupiają się na rozwoju narzędzi do badania mózgu i poszukiwaniu terapii dla chorób neurologicznych. Zrozumienie, w jaki sposób neurony adaptują się do rozwiązywania zadań, może rzucić światło na to, jak choroby takie jak Alzheimer czy Parkinson zaburzają zdolności poznawcze i uczenie.
Bioinformatyk David Haussler z UC Santa Cruz wyraźnie zaznacza, że wykorzystanie ludzkich organoidów mózgowych do sterowania robotami rodziłoby poważne dylematy etyczne. Z tego powodu zespół udostępnił swoje oprogramowanie innym badaczom, licząc na rozwój prac w bezpiecznym, medycznym kontekście.
Eksperyment z Santa Cruz pokazuje, że nawet stosunkowo prosta, laboratoryjna tkanka neuronalna może wykazywać zdolność do uczenia się, gdy otrzymuje precyzyjne instrukcje. Choć to dopiero wczesny etap badań, a ograniczenia są wyraźne, takie podejście oferuje nowe, fascynujące możliwości poznawania fundamentalnych zasad działania naszego najważniejszego organu. Perspektywa jest intrygująca, ale wymaga rozwagi i odpowiedzialności.