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Neuroni in vitro imparano a giocare a Pong in 5 minuti

Si è dimostrato per la prima volta che dei neuroni coltivati in vitro possono svolgere compiti goal-directed, ad esempio possono imparare a giocare a Pong.

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Un team di scienziati ha dimostrato che dei gruppi di neuroni in vitro possono imparare a giocare a Pong. Questo è il primo studio in cui, per la prima volta, queste cellule dimostrano la capacità di eseguire compiti diretti all’obiettivo. Ciò apre la possibili a nuove comprensioni sulle capacità del cervello.

Lo studio in breve sui neuroni in vitro

L’integrazione dei neuroni nei sistemi digitali può consentire prestazioni irrealizzabili con il solo silicio. Nello studio in questione si sviluppa un sistema, chiamato DishBrain, che sfrutta il calcolo adattivo intrinseco dei neuroni in un ambiente strutturato. I neuroni in vitro di origine umana o di roditore sono integrati con il calcolo in silico tramite un array con multielettrodi ad alta densità. Attraverso la stimolazione e la registrazione elettrofisiologica, le culture sono incorporate in un mondo di gioco simulato che imita il gioco arcade Pong. Applicando la teoria dell’inferenza attiva, attraverso il principio dell’energia libera, si trova un apprendimento apparente entro 5 minuti dal game play in tempo reale.

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Dishbrain al microscopio. Un’immagine di microscopia di cellule neurali in cui i marcatori fluorescenti mostrano diversi tipi di cellule. Il verde segna i neuroni e gli assoni, il viola segna i neuroni, il rosso segna i dendriti e il blu segna tutte le cellule. Quando sono presenti più marcatori, i colori vengono uniti e in genere appaiono come giallo o rosa a seconda della proporzione di marcatori – Credits: Cortical Labs

I risultati ottenuti dalla ricerca

Solitamente per addestrare un organismo a svolgere dei compiti specifici sono fondamentali: la ricompensa e la punizione. Questo principio però non funziona su queste colture cellulari perché non hanno un sistema di dopamina che le possa incentivare. Per tale ragione, i ricercatori hanno approfittato del principio dell’energia libera. Essenzialmente, questa idea assume che le cellule in questa circostanza cercheranno sempre di minimizzare l’imprevedibilità nel loro ambiente. Quindi, se i neuroni non colpiscono la palla con la loro pagaia, il sistema fornisce uno stimolo imprevedibile per 4 secondi, invece se il colpo riesce ricevono un segnale breve e prevedibile prima che il gioco continui.

Usando questa metodologia, il DishBrain ha imparato a giocare in 5 minuti. Ulteriori esperimenti dimostrano l’importanza del feedback strutturato a circuito chiuso per suscitare l’apprendimento nel tempo. Infatti, i neuroni in vitro mostrano la capacità di autorganizzare l’attività in modo mirato in risposta a scarse informazioni sensoriali sulle conseguenze delle loro azioni. Questo è definito da noi come: intelligenza biologica sintetica.

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Immagine al microscopio elettronico a scansione di una cultura neurale che sta crescendo da più di 6 mesi su un array con multielettrodi ad alta densità – Credits: Cortical Labs

Prospettive future

Questa nuova capacità di insegnare alle culture cellulari a svolgere un compito in cui mostrano sensibilità apre a nuove possibilità di scoperta che avranno conseguenze di vasta portata per la tecnologia, la salute e la società. I ricercatori dello studio affermano che questa nuova scoperta può aiutare a migliorare la comprensione del cervello umano, utilizzando un modello più accurato rispetto alle simulazioni al computer. Questo studio inoltre potrebbe permettere la comprensione della creazione dell’intelligenza umana. In futuro, ci si aspetta uno studio sugli effetti delle droghe e dell’alcol nei neuroni, e se questi possano o meno compromettere la capacità delle cellule di giocare.