Gehirnzellen in einer Schale „zeigen Empfindungsvermögen“, indem sie lernen, das Videospiel Pong | zu spielen Wissenschaft | Nachrichten

Neuronen in einer Schüssel können lernen, das klassische Videospiel Pong zu spielen, wie ein bizarres Experiment gezeigt hat – ein Durchbruch, der die Art und Weise, wie wir die Funktionsweise des Gehirns untersuchen, revolutionieren könnte. Das Setup schafft zum ersten Mal ein wirklich lebendes Modellgehirn, an dem Experimente direkt durchgeführt werden können, anstatt sich auf potenziell irreführende Vergleiche mit Computersystemen zu verlassen. Das internationale Team schuf sein sogenanntes „DishBrain“, indem es Gehirnzellen von embryonalen Mäusen und solche, die von menschlichen Stammzellen stammen, nahm und sie auf einem Mikroelektroden-Array züchtete, das sie sowohl stimulieren als auch ihre elektrische Aktivität ablesen kann. Insgesamt besteht DishBrain aus etwa 800.000 Gehirnzellen, berichteten die Forscher.

Signale, die über die Mikroelektroden an die Zellen gesendet wurden, wurden verwendet, um das Modellgehirn in Pong einzuführen – das Tischtennis-ähnliche Arcade-Spiel, das erstmals in den siebziger Jahren veröffentlicht wurde, bei dem Spieler einen Schläger bewegen, um einen Ball über den Bildschirm hin und her springen zu lassen.

Durch das Abfeuern von Elektroden auf verschiedenen Seiten des Arrays und die Verwendung unterschiedlicher Frequenzsignale konnte das Team darstellen, auf welcher Seite sich der Ball befand und wie weit er vom Schläger entfernt war.

Gleichzeitig wurde Feedback in das Array gesendet, damit die Zellen sich so verhalten, als wären sie das Paddel, wodurch DishBrain beigebracht wird, wie man den Ball zurückschlägt.

Der Autor und theoretische Neurowissenschaftler Professor Karl Friston vom University College London sagte: „Der schöne und bahnbrechende Aspekt dieser Arbeit beruht darauf, die Neuronen mit Empfindungen auszustatten – dem Feedback – und vor allem der Fähigkeit, auf ihre Welt einzuwirken.

„Bemerkenswerterweise haben die Kulturen gelernt, ihre Welt vorhersehbarer zu machen, indem sie darauf reagieren. Das ist bemerkenswert, weil man diese Art der Selbstorganisation nicht lehren kann; ganz einfach, weil diese Mini-Gehirne – im Gegensatz zu Haustieren – keinen Sinn für Belohnung und Bestrafung haben.“

Stattdessen, erklärt Prof. Friston, wird angenommen, dass Zellen auf dieser Ebene natürlicherweise versuchen, die Unvorhersehbarkeit in ihrer Umgebung zu minimieren.

Die Studie wurde vom Neurowissenschaftler Dr. Brett Kagan, Chief Scientific Officer bei Cortical Labs, geleitet, das daran arbeitet, eine neue Generation „biologischer“ Computerchips zu bauen.

Er sagte: „Wir haben gezeigt, dass wir mit lebenden biologischen Neuronen so interagieren können, dass sie dazu gezwungen werden, ihre Aktivität zu ändern, was zu etwas führt, das der Intelligenz ähnelt.“

Schon seit einiger Zeit können Wissenschaftler Neuronen auf Arrays montieren und ihre elektrische Aktivität ablesen – aber jetzt ist es Forschern erstmals gelungen, solche Zellen sinnvoll und strukturiert zu stimulieren.

Wie Dr. Kagan feststellte: „In der Vergangenheit wurden Modelle des Gehirns entwickelt, die darauf abzielten, wie Computerwissenschaftler denken, dass das Gehirn funktionieren könnte.

„Das basiert normalerweise auf unserem aktuellen Verständnis von Informationstechnologie, wie beispielsweise Silicon Computing. Aber in Wahrheit verstehen wir nicht wirklich, wie das Gehirn funktioniert.“

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Der Aufbau eines lebenden Modellgehirns ermöglicht es Wissenschaftlern somit, Studien zur realen Gehirnfunktion durchzuführen, anstatt sich stattdessen auf möglicherweise fehlerhafte Analogien zu anderen Systemen zu verlassen.

Tatsächlich hat das Team bereits Wege gefunden, wie sich DishBrain völlig anders verhält als Computer.

Dr. Kagan erklärt: „Als wir körperlosen Neuronen strukturierte Informationen präsentierten, sahen wir, dass sie ihre Aktivität auf eine Weise änderten, die sehr konsistent mit ihrem tatsächlichen Verhalten als dynamisches System ist.

„Zum Beispiel nimmt die Fähigkeit des Neurons, seine Aktivität aufgrund von Erfahrungen zu ändern und anzupassen, mit der Zeit zu, was mit dem übereinstimmt, was wir bei der Lernrate der Zellen sehen.“

Nach Angaben des Teams wird DishBrain den Weg für völlig neue Ansätze ebnen, um zu erfahren, was im Gehirn vor sich geht.

Der Autor des Artikels und Computational Neuroscientist Dr. Adeel Razi von der australischen Monash University sagte: „Diese neue Fähigkeit, Zellkulturen beizubringen, eine Aufgabe zu erfüllen, bei der sie Empfindungsfähigkeit zeigen – indem sie das Paddel steuern, um den Ball durch Wahrnehmung zurückzugeben – wird weitreichende Konsequenzen haben für Technik, Gesundheit und Gesellschaft.

„Wir wissen, dass unser Gehirn den evolutionären Vorteil hat, dass es über Hunderte von Millionen Jahren auf Überleben getrimmt wurde.

„Nun scheinen wir es in der Hand zu haben, wo wir diese unglaublich mächtige und billige biologische Intelligenz nutzen können.“

Tatsächlich hat das Team bereits sein nächstes Experiment mit DishBrain geplant – sie wollen es mit Alkohol berauschen.

Wie Dr. Kagan erklärt: „Wir versuchen, mit Ethanol eine Dosis-Wirkungs-Kurve zu erstellen – im Grunde, sie zu bekommen [the neurons] ‚betrunken‘ und sehen, ob sie das Spiel schlechter spielen, genau wie wenn Leute trinken.“

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So wie das Team damit experimentieren kann, seinem Gehirn Alkohol zu verabreichen, kann es ihn auch verwenden, um zu sehen, wie das Gehirn auf mehr Medikamente – oder sogar Gentherapien – reagieren könnte, ohne auf Tierversuche zurückgreifen zu müssen.

Prof. Friston fügte hinzu: „Das translationale Potenzial dieser Arbeit ist wirklich aufregend. Das bedeutet, dass wir uns keine Gedanken über die Erstellung „digitaler Zwillinge“ machen müssen, um therapeutische Interventionen zu testen.

„Wir haben jetzt im Prinzip den ultimativen biomimetischen ‚Sandkasten‘, in dem wir die Wirkung von Medikamenten und genetischen Varianten testen können — [one] besteht aus genau denselben neuronalen Elementen, die in Ihrem und meinem Gehirn zu finden sind.“

Dr. Hon Weng Chong, Chief Executive Officer von Cortical Labs, fügte hinzu: „DishBrain bietet einen einfacheren Ansatz, um zu testen, wie das Gehirn funktioniert, und um Einblicke in schwächende Erkrankungen wie Epilepsie und Demenz zu gewinnen.“

Dr. Chong sagte, dass die Entdeckung aufregend sei – aber nur der Anfang.

Er erklärte: „Dies ist ein brandneues, jungfräuliches Gebiet. Wir möchten, dass mehr Menschen an Bord kommen und mitarbeiten, um das System zu nutzen, das wir aufgebaut haben, um dieses neue Wissenschaftsgebiet weiter zu erforschen.

„Wie einer unserer Mitarbeiter sagte, wacht man nicht jeden Tag auf und kann ein neues Wissenschaftsgebiet schaffen.“

Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Neuron veröffentlicht.