Neuroni in coltura imparano a giocare a Pong

(Neuroni. Immagine Credit Public Domain).

“Ha dell’incredibile quanto hanno scoperto alcuni scienziati australiani di Cortical Labs. Sono infatti riusciti ad insegnare ai neuroni, cellule cerebrali in coltura in una capsula di Petri, a giocare ad un videogioco cult, “Pong”, in soli cinque minuti“.

Immagine: schema del sistema DishBrain e del protocollo sperimentale. Credito: biorxiv (2021). DOI: 10.1101/2021.12.02.471005

Un team di ricercatori affiliati a diverse istituzioni in Australia e nel Regno Unito ha insegnato a una piccola massa di cellule cerebrali umane a giocare al videogioco Pong. Il loro documento è disponibile sul server di prestampa bioRxiv. Pong è un videogioco di prima generazione. 

La versione per giocatore singolo consiste in una racchetta e una palla. Il giocatore muove la racchetta nel percorso della pallina per tenerla in gioco mentre rimbalza su di essa, come una racchetta in una vera partita di ping-pong. In questo nuovo sforzo, i ricercatori hanno insegnato a una piccola massa di cellule cerebrali umane collegate a giocare.

La massa, che i ricercatori chiamano cyborg, è stata creata posizionando cellule staminali umane sopra una matrice microelettrica, dove sono cresciute in cellule cerebrali. Nella loro configurazione, le cellule possono sia stimolare altre cellule sia leggere l’attività degli altri intorno a esse. I segnali elettrici vengono inviati all’array per dire loro dove si trova la palla. Se gli elettrodi a destra di un grappolo si accendono, ad esempio, le cellule cerebrali sanno che la palla è alla loro sinistra. La distanza del segnale fornisce alle cellule informazioni sulla frequenza. Come con il vero Pong, la pagaia può muoversi solo a sinistra e a destra. Inoltre, come nel gioco reale, l’obiettivo è spostare la racchetta nel percorso della palla.

Al cyborg è stato insegnato a giocare allo stesso modo degli umani, giocando ripetutamente per imparare a muovere la racchetta in modo da avere successo. In questo caso, si trattava di un feedback sotto forma di segnali elettrici negli elettrodi.

I ricercatori hanno scoperto che il sistema è stato in grado di imparare a giocare in circa cinque minuti-significativamente più velocemente rispetto alle macchine di intelligenza artificiale. Tuttavia, notano che il livello di abilità del sistema era di gran lunga inferiore a quello degli umani o dei sistemi di intelligenza artificiale.

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Spiegano gli autori:

“L’integrazione dei neuroni nei sistemi digitali per sfruttare la loro intelligenza innata può consentire prestazioni impossibili con il solo silicio, oltre a fornire informazioni sull’origine cellulare dell’intelligenza. Abbiamo sviluppato DishBrain , un sistema che mostra un’intelligenza naturale sfruttando l’intrinseco calcolo adattivo dei neuroni in un ambiente strutturato. Reti neurali in vitro di origine umana o roditrice, sono integrate con in silicocalcolo tramite array multielettrodi ad alta densità. Attraverso la stimolazione e la registrazione elettrofisiologica, le culture sono state incorporate in un mondo di gioco simulato, imitando il gioco arcade “Pong”. Applicando una teoria dell’inferenza attiva precedentemente non verificabile tramite il principio dell’energia libera, abbiamo scoperto che l’apprendimento era evidente entro cinque minuti di gioco in tempo reale, non osservato in condizioni di controllo. Ulteriori esperimenti dimostrano l’importanza del feedback strutturato a circuito chiuso per stimolare l’apprendimento nel tempo. Le culture mostrano la capacità di auto-organizzarsi in modo mirato in risposta a scarse informazioni sensoriali sulle conseguenze delle loro azioni.

I ricercatori suggeriscono che il loro lavoro potrebbe portare a miglioramenti nella progettazione di sistemi di apprendimento automatico o all’uso in altre applicazioni come testare terapie mirate al cervello.

Fonte:biorxiv