Исследователи продемонстрировали способность органоидов мозга, выращенных из клеток мыши, к обучению в контролируемой виртуальной среде. В ходе эксперимента эти трёхмерные клеточные структуры научились выполнять задачу по балансировке виртуального шеста на движущейся платформе, что является аналогом известной задачи в области искусственного интеллекта.
Данное достижение открывает новые возможности для изучения фундаментальных механизмов обучения и памяти на клеточном уровне. Учёные полагают, что подобные модели могут стать инструментом для исследования когнитивных процессов в здоровом мозге и нарушений, связанных с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера.
Эксперимент представляет собой важный шаг в использовании органоидов для моделирования сложных нейронных функций. Это направление работы может в перспективе снизить зависимость науки от экспериментов на живых животных и предоставить уникальные модели для тестирования терапевтических подходов.
Проведённый эксперимент подтверждает, что органоиды мозга способны адаптироваться и реагировать на внешние стимулы, демонстрируя элементы базового обучения. Это создаёт основу для их использования в качестве модельных систем для углублённого изучения нейробиологии обучения и потенциальных нарушений когнитивных функций.
Скопления клеток мозга мыши, известные как органоиды, продемонстрировали способность к обучению в виртуальной среде. После прохождения базового тренинга эти трёхмерные структуры научились выполнять задачу по удержанию виртуального шеста в вертикальном положении на движущейся платформе. Данные результаты были опубликованы 24 февраля в научном журнале Cell Reports.
По словам когнитивного нейробиолога Эша Роббинса из Калифорнийского университета в Санта-Крус, органоиды сохраняли полученные знания в течение ограниченного времени. Однако в долгосрочной перспективе исследователи рассчитывают, что работа с органоидами мозга поможет понять фундаментальные принципы обучения в здоровом мозге человека. Кроме того, эта модель может пролить свет на то, как такие когнитивные расстройства, как болезнь Альцгеймера, нарушают эту ключевую способность.
Чтобы достичь этого, органоидам необходимо вывести долговременную память на обучение, но «короткая память — очень хороший шаг к этому», — говорит нейробиолог Лена Смирнова из Университета Джонса Хопкинса. Она показала, что у органоидов есть команда для создания блоков для обучения. Другие исследования также показывают, что органоиды человеческого мозга могут передавать и получать информацию, но не обязательно использовать обратную связь для улучшения выполнения определенных задач в режиме реального времени.
В новом обучении Роббинс и его коллеги поставили перед органоидами мозга мышей задачу, которая требует постоянного контроля и оставляет мало мест для ошибок. Решение классической проблемы с шестой тележкой требует наличия следования тележки влево и вправо, чтобы вертикальный шест оставался на ней как можно более устойчивым. По словам Роббинса, скопления клеток должны постоянно реагировать так, как если бы они играли в видеоигру. И чтобы сделать столб устоявшим, им приходится делать правильный выбор не один и не два раза каждый раз.
Органоиды мышей располагались на компьютерном чипе, который вращался в них во взаимодействии с мировыми видеоиграми. Когда метод доставлял обратную связь в виде электрической стимуляции клеток внутри органоида, которые, по-видимому, не сработали с функцией, исследователи могли видеть, как шестой стоит прямо, раскачивается или падает на экран.
«Это буквально похоже на то, как будто ты смотришь, как друг играет в игру», — говорит Роббинс.
Органоиды, прошедшие подобную подготовку, именуемую обучением с подкреплением, могли удерживать шест в течение как минимум 20 секунд почти в утренних случаях. Напротив, органоиды, которые изменяют случайные обучающие сигналы или вообще не реагируют на какие-либо обучающие сигналы, преодолевают этот порог менее чем в 5 процентных случаях.
Органоиды играли 15-минутными периодами и делали между ними 45-минутные перерывы, после чего им необходима была переподготовка. Это говорит о том, что долговременное обучение памяти, вероятно, требует более сложных сигналов, не хватает органоидам, таких как путь «награды» дофамина, говорит Дэвид Хаусслер, нейробиолог из Калифорнийского университета в Санта-Крус. По его словам, более сложная система, в которой несколько органоидов работают вместе, включая ассемблоиды, может сохранить навыки, полученные во время обучения. Например, один органоид может попробовать изучить, в то время как другой демонстрирует дофамин, вознаграждающую и подкрепляющую активность.
Это не первый случай, когда исследователи наблюдали, как бестелесные клетки мозга начинают играть в видеоигры. В 2022 году созданы листы человеческих нейронов, которые научились играть в игру-тренажер настольного тенниса «Понг». Совсем недавно та же самая группа исследователей получила мозг для игры в Doom, шутера от первого лица, хотя эта работа клетки еще не опубликована. Но в обоих случаях клетки не были обучены и поэтому не продемонстрировали свою способность к обучению.
Заставить мозговые органоиды играть в видеоигры (как бы круто это ни звучало) на самом деле не является целью, говорит Роббинс. Скорее всего, скопления клеток дают исследователям возможность «изучить, как происходит обучение и как вещи [например, болезнь] изменяются или мешают ему», — говорит он.
А когда органоиды мозга созданы из клеток человека, вероятно, они являются лучшими показателями обучения и памяти животных, чем лабораторные, говорит Смирнова, поскольку органоиды более точно имитируют физиологию и тело человека. По ее словам, повторение эксперимента с органоидами человеческого мозга было бы хорошим шагом.