Laboratorijski uzgojeni mini-mozgovi naučeni održavati ravnotežu

Znanstvenici su uz pomoć električne stimulacije naučili moždane organoide rješavati inženjerski problem, ali bez stvaranja pamćenja.

Istraživači sa Sveučilišta u Kaliforniji, Santa Cruz, postigli su zanimljiv napredak u neuroznanosti. Uspjeli su trenirati trodimenzionalne moždane organoide, uzgojene iz matičnih stanica miševa, da izvršavaju zadatak održavanja ravnoteže inverznog njihala.

Eksperiment je pokazao da ti laboratorijski uzgojeni ‘mini-mozgovi’ mogu pokazati plastičnost i poboljšati svoju izvedbu, ali samo uz specifičnu povratnu informaciju i bez stvaranja dugotrajnog pamćenja.

Eksperiment “cartpole” ili inverzno njihalo klasičan je problem u matematici, robotici i strojnom učenju. Riječ je o održavanju njihala u uspravnom položaju na pokretnoj platformi, što je izrazito nestabilan sustav. Znanstvenici su htjeli provjeriti mogu li se moždani organoidi – trodimenzionalne strukture koje pojednostavljeno oponašaju građu i osnovne funkcije mozga – naučiti rješavati ovaj zadatak. Rezultati, objavljeni u časopisu Cell Reports, pokazali su da je to u osnovi moguće.

Iako se radi o testu koji se koristi za treniranje naprednih algoritama, svatko je sličan izazov iskusio u stvarnom životu – pokušavajući držati olovku u ravnoteži na vrhu prsta. U virtualnoj simulaciji znanstvenika, nagib njihala prevodio se u obrasce električne stimulacije koja se šalje neuronskom tkivu. Zauzvrat, električna aktivnost organoida tumačila se kao naredba za pomicanje platforme lijevo ili desno kako bi se njihalo vratilo u ravnotežu.

Važno je naglasiti da ti mini-mozgovi nisu svjesni i ne razumiju zadatak. Istraživače je zanimalo može li se laboratorijski uzgojena neuronska mreža, pravilno stimulirana, naučiti činiti manje pogrešaka. Ključni faktor za napredak je povratna informacija – sposobnost sustava da uči iz svojih pogrešaka i sebe ispravlja.

Znanstvenici su testirali tri protokola. Prvi je bio bez povratne informacije, drugi sa slučajnom stimulacijom, a treći, najsloženiji, uključivao je adaptivnu povratnu informaciju temeljenu na izvedbi. Tek kada je uveden ovaj treći protokol, organoidi su pokazali značajan napredak, održavajući njihalo uspravno duže. Uspješnost ciklusa od pet pokušaja porasla je s 2,3% (bez povratne informacije) na impresivnih 46% s adaptivnom povratnom spregom.

Međutim, postignuća nisu bila trajna. Nakon 45 minuta mirovanja, performanse organoida vratile su se na početnu razinu. Nije uočena konsolidacija učenja, već samo krhka plastičnost. Kao što ističe David Haussler, bioinformatičar i koautor studije, cilj ovakvih eksperimenata nije stvaranje primitivne inteligencije, već napredak u istraživanju mozga. Glavni interes je metodološki: razumijevanje zašto i kako neuronske veze propadaju u bolestima poput Alzheimerove ili Parkinsonove bolesti, koristeći mjerljivi pokazatelj plastičnosti. Ovaj eksperimentalni okvir pruža pojednostavljeni i ponovljiv model za proučavanje fenomena koji bi u cijelom mozgu bili puno teže uočljivi.