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2024-08-22 15:00:31
人間の脳には1兆個の神経接続があり、1秒間に15京回の演算を実行できます。私たちの技術は、機械学習システム、人工ニューラルネットワーク、さらにはハイブリッドシステムを通じて、数十年にわたってこの驚異的な「機械」を模倣しようとしてきました。 生きた脳細胞が繋がっている コンピュータ機器において。
しかし、神経パルスが実際には電気パルスであることを考えると、適切な電流を流すことで人工の「脳」のような物質が存在するのでしょうか? これは、レディング大学 (英国) の科学者たちが取り組んでいる問題です。彼らは、特殊な電極に接続されたハイドロゲル (ゼラチンの一種) がポンをプレイすることを学習したことを発見しました。それだけでなく、この物質は時間の経過とともにゲームを向上させることに成功しました。その結論は、雑誌「セルレポート物理科学‘。
非人間プレイヤーの背景
研究者たちは、雑誌「ニューロンこの研究では、シリコンチップ上で培養されたマウスの脳細胞が、卓球をベースにした古典的でシンプルなビデオゲーム「ポン」をプレイできるシステムとして機能することが示されました。ポンでは、プレーヤーは絶えず跳ね返るボールを、底に触れないように打ち続けなければなりません（ハンドボールやフロントンを彷彿とさせます）。
「この論文は、ニューロンが自由エネルギーと記憶の概念を通じてゲームのプレイ方法を学ぶ原理を説明しています」と、この論文の著者でレディング大学の博士課程の学生、ヴィンセント・ストロング氏は述べた。自由エネルギー原理は、神経科学者カール・フリストン氏が10年ほど前に提唱した、脳の基本的な働きを説明する理論である。
フリストンの考えによれば、私たちの脳細胞は、できる限り驚きや「自由エネルギー」を避ける傾向がある。そうすることで、脳細胞は予測を継続的に改善し、毎回より最適な反応をすることができる。しかし、この理論は証明が難しいため批判された。その後、「ニューロン」誌に掲載された論文の著者らは、自分たちの実験がこの仮説を明確に実証していると指摘した。
ハイドロゲルへの外挿
以前の研究で、リーディング大学のチームは、彼らが研究していたハイドロゲルが、熱や電気に対してより耐性があり、コンピューターに接続された電極を介して相互作用できるイオン化ポリアクリルアミドで作られ、自由エネルギー力学によって駆動される同様の記憶動作を示すことに気付きました。「そこで、培養ニューロンと同様の結果を、はるかに単純なハイドロゲルという材料で達成できるのではないかと考えました」とストロング氏は説明します。つまり、システムを簡素化しながら、同様の結果を達成するということです。
このハイドロゲルの鍵となるのは、イオン化されていることです。「このハイドロゲルには、電界の影響を受ける可能性のある浮遊する荷電イオンが含まれており、イオンが移動して水分子を引きずり、ハイドロゲル内で形状が変化します」と研究者は言います。「これらのハイドロゲルは、1970 年代からバイオミメティック ソフト ロボット (自然の形を模倣したデバイス) 用に研究されており、現在は医療業界で薬剤を送達する方法として使用されています。」
しかし、この素材だけではコンピューターに信号を送ることはできません。そこで、彼らはカスタムメイドのマルチ電極アレイを考案しました。このシステムは基本的に、内部に電極を備えたワッフル型のデバイスで、その中にハイドロゲルが挿入されています。シリコン製の人工器官に非常に似ていますが、より柔軟です。このデバイスは、信号を解読してコンピューターに送信する別のデバイスに接続されており、そこでゲームを観戦できます。
装置：右側の白い部分は、ハイドロゲルが導入される「サンドイッチ」システムです。中央には、ハイドロゲルの変化を変換し、最終的に Pong をプレイするコンピューターに送られる配線装置があります。
「ニューロンとハイドロゲルの両方の基本原理は、イオンの移動と分布が、ポンの世界の感覚運動回路と相関する記憶機能として機能することです。ニューロンでは、イオンは細胞内を循環します。ゲルでは、イオンは細胞の外を循環します」と、リーディング大学生物科学部の生物医学エンジニア、林義勝氏は説明します。言い換えれば、簡単に言えば、記憶はハイドロゲルに適用するのと同じイオンで機能します。
既存の AI アルゴリズムのほとんどはニューラル ネットワークから派生しているため、研究者らは、ハイドロゲルは別の種類の「知能」を表しており、これを使用して新しい、よりシンプルなアルゴリズムを開発できる可能性があると述べています。このアイデアは、ハイドロゲルのこの「記憶」能力をさらに調査し、他のタスクを実行する能力をテストすることです。
「私たちの研究は、非常に単純な材料でさえ、生体システムや高度なAIに典型的に関連付けられる複雑で適応的な動作を示すことができることを示しています」と林氏は述べた。「これにより、学習して環境に適応できる新しいタイプの「スマート」材料の開発への刺激的な可能性が開かれます。」
将来の応用
レディング研究チームがハイドロゲルを使った実験を行うのは今回が初めてではない。米国科学アカデミー紀要に発表された最近の研究で、林氏はレディング研究チームの同僚であるズオウェイ・ワン氏とナンディニ・ヴァスデヴァン氏とともに、この研究で使用したハイドロゲルとは異なるハイドロゲルに、外部ペースメーカーのリズムに合わせて鼓動するように「教える」方法を実証した。生きた細胞以外の不活性物質を使用してこれが達成されたのはこれが初めてである。
研究者らは、ハイドロゲル材料が化学的かつ機械的に振動する仕組みを実証し、心臓の筋肉細胞が一斉に収縮するのとよく似ており、こうした動的挙動の理論的解釈を提示している。研究者らは、ゲルに周期的な圧縮を加えることで、ゲルの化学的振動を機械的リズムに同期させることができることを発見した。ゲルは、機械式ペースメーカーが停止した後も、この心拍の記憶を保持していた。
「これは、将来、人間の心臓における機械的信号と化学的信号の相互作用を研究するために使用できる心筋モデルの開発に向けた重要なステップです」と林氏は述べた。「これは、心臓研究における一部の動物実験を、化学的に活性化されたゲルモデルに置き換えるという刺激的な可能性を切り開きます。」具体的には、この材料は、心臓の鼓動が速すぎたり、遅すぎたり、不規則になったりする不整脈の調査に使用できる可能性がある。
研究チームは、この発見がソフトロボットや人工装具から、環境センシングや特定の状況に自力で適応できる材料に至るまで、幅広い分野に広範囲な影響を及ぼす可能性があると考えている。今後は、心臓研究を前進させ、医学研究における動物の使用を減らすための代替実験モデルの開発など、より複雑な動作の開発と現実世界での潜在的な応用の探求に重点を置く予定だ。
#ゼリー脳がビデオゲームの遊び方を学ぶ