Итоги № 12 (2012)

Эту нетривиальную задачу сегодня параллельно решают специалисты сразу в нескольких странах мира — они ломают голову над созданием машин, которые будут управляться настоящими живыми клетками мозга. Для роботов, способных думать и обучаться, уже придумали название — нейроаниматы. В России в этой области дальше всех продвинулись в Нижнем Новгороде, где корреспонденты «Итогов» и наблюдали за «умной» машинкой. Впрочем, играми в машинки эксперимент не заканчивается. Ученые создавали нейроанимата для того, чтобы, как говорит заведующий лабораторией Института прикладной физики РАН, завкафедрой нейродинамики и нейробиологии ННГУ доктор физико-математических наук Виктор Казанцев, «проводить фундаментальные исследования принципов работы мозга». За этой общей формулировкой кроется настоящий научный прорыв.

Созданный к сегодняшнему дню нейроанимат состоит из двух основных частей. Это собственно робот — пока что простейшая машинка из конструктора с двигателем и набором датчиков и главная часть — нейронная сеть, управляющая роботом. Ее — и это наиболее интересно — ученые выращивают искусственно из живых клеток мозга мышей или крыс. Клетки извлекают из гиппокампа — отдела мозга, отвечающего у всех живых существ за кратковременную память и ориентацию в пространстве. Затем несколько десятков тысяч нейронов помещают в стеклянную камеру около полутора сантиметров в диаметре. В нее заранее залита специальная питательная среда, схожая с той, что имеется в настоящем мозге. На дне камеры — мультиэлектродная матрица из 60 электродов размером порядка 30 микронов каждый, вокруг которых и располагаются нейроны.

«Извлечь нейроны из эмбриона животного и посадить их на матрицу с электродами — это еще даже не полдела», — поясняет кандидат физико-математических наук, руководитель экспериментальных работ по проекту нейроанимата, сотрудник кафедры нейродинамики и нейробиологии Алексей Пимашкин. Из-за того что ученые берут в работу не целый отдел живого мозга, а лишь отдельные нейроны, связи между ними прерываются. Необходимо их выстроить заново, фактически создав новую живую нейронную сеть. Для Создателя, может, и простая задачка, но как с ней справляются ученые?

Технологическое решение таково: камеру с мультиэлектродной матрицей помещают в специальный инкубатор, где поддерживаются температура 35,6 градуса, определенная влажность и концентрация углекислого газа и кислорода. «Через несколько дней между клетками начинают образовываться связи, вырастает живая нейронная сеть, в которой спонтанно генерируются и распространяются электрические импульсы, — рассказывает Алексей Пимашкин. — На появление стабильной сети уходит около 20 дней. При этом из нескольких десятков тысяч нейронов, посаженных изначально, остается около пяти тысяч (остальные погибают), но и этого хватает для эксперимента, суть которого в исследовании процессов обработки информации в мозге». Ученые по отдельности стимулируют электроды, подавая на них электрические сигналы, и таким образом возбуждают нейроны, сигнал от которых распространяется по всей сети. Тем самым полностью симулируется ситуация, при которой живой мозг получает сигналы от органов зрения и осязания, то есть от так называемых сенсорных входов. Когда на нервное окончание, например на сетчатку глаза, у человека или животного поступает некий сигнал, нейроны посылают определенную последовательность импульсов в мозг. Те проходят через нейронные сети и вызывают отклик — именно так мы принимаем то или иное решение, допустим, протягиваем руку, чтобы взять нужный предмет. Эти действия кодируются в мозге после обработки поступающих сигналов. Команду на их выполнение отдают нейроны, посылая последовательности импульсов на соответствующие нервные окончания, которые руководят мышцами. Ученые называют такую цепочку стимул-реакцией. Другими словами, мозг получает какой-то сигнал или стимул извне, обрабатывает его и на выходе выдает уже другой сигнал, реакцию.

Подобную цепочку моделируют и разработчики нейроанимата. Помимо электродов, назначенных на роль сенсорных входов и ответственных за стимуляцию нейронной сети, на мультиэлектродной матрице часть электродов может снимать или считывать электрическую активность нейронов. Их назначили выходами нейронной сети. Это аналоги выходов мозга на какие-то моторные функции, по которым сигнал передается мышцам. Проверить, насколько качественно искусственно выращенная нейронная сеть может выполнять элементарные функции настоящего мозга, исследователи решили, подключив к ней робота.

Машинка с секретом