Un esperimento di intelligenza biologica sintetica, che usa la tecnologia del silicio, ha istruito ottocentomila neuroni (di topo e di uomo) a giocare a Pong. In realtà il test servirà a scopi più importanti 

Pong: dei neuroni “istruiti” possono giocare meglio 

Il Pong è uno dei primi videogiochi commercializzati. Prodotto dalla Atari nel 1972, ha appassionato intere generazioni e ancora adesso entusiasma molti giocatori.

Per vincere una partita occorre essere veloci e concentrati, bisogna usare “la testa” e l’intuito.

Almeno fino a qualche tempo fa.

Un nuovo esperimento di intelligenza biologica sintetica, ha mostrato che i neuroni di uomo e di topo coltivati in provetta, possono regolare la loro attività per svolgere un compito specifico.

Se si forniscono loro adeguati feedback, possono addirittura migliorare le loro prestazioni.

Perché proprio il Pong? «Abbiamo scelto Pong per la sua semplicità e familiarità. Inoltre, si tratta di uno dei primi giochi utilizzati nell’apprendimento automatico, quindi volevamo riconoscergli questo merito». Ad affermarlo, uno degli autori dello studio, il neuroscienziato Brett Kagan, della startup biotecnologica Cortical Labs di Melbourne in Australia.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Neuron.

Dishbrain: mix di neuroni animali e umani che giocano a Pong

DishBrain è un mix di neuroni estratti da topi embrionali e neuroni umani cresciuti da cellule staminali. 

Queste cellule sono coltivate su array di microelettrodi (MEA), dispositivi contenenti (da decine a migliaia) di microelettrodi, che si attivano per stimolare i neuroni a fornire input sensoriali.

Veniamo al test. Un nuovo modo di giocare a Pong 

Per giocare a Pong, sono stati disposti dei microelettrodi su entrambi i lati dello schermo. Essi indicavano se la palla era a sinistra o a destra, mentre la frequenza dei segnali trasmetteva la distanza della palla.

Con questi input di base, DishBrain, era in grado di spostare la racchetta in direzione della palla, ma tutto sommato, non giocava in maniera soddisfacente.

Per migliorare le sue prestazioni, i neuroni avevano bisogno di un feedback.

Il team di ricerca ha pertanto sviluppato un software che, grazie a degli elettrodi, forniva dei feedback ogni volta che DishBrain perdeva la palla. 

Dopo cinque minuti, i risultati erano decisamente migliorati.

DishBrain si ispira al “Principio dell’energia libera” di Friston

Nel 2005, Karl Friston, direttore scientifico del Functional Imaging Laborator (FIL), dell’University College di Londra ha elaborato il “Principio dell’energia libera”.

Si tratta di una teoria unificante su come funziona la mente umana, che risponde, in maniera ambiziosa, a una domanda: “Se sei vivo, quali comportamenti ci possiamo aspettare da te?”.

Essa propone a tutti i sistemi biologici di comportarsi in modo da ridurre il divario tra ciò che ci si aspetta e ciò che viene vissuto – in altre parole, per rendere il mondo più prevedibile.

DishBrain agisce in base al Principio all’energia libera: grazie ai feedback ricevuti, adegua le sue azioni per rendere il mondo più prevedibile.

«Quando i neuroni hanno risposto in un modo che corrispondeva al colpire la palla, sono stati stimolati in un luogo e ad una frequenza che era la stessa ogni volta. Se hanno mancato la palla, la rete è stata stimolata dagli elettrodi in posizioni casuali e a frequenze diverse. Nel corso del tempo, i neuroni hanno imparato a colpire la palla per ricevere la risposta modellata piuttosto che quella casuale» – prosegue l’autore dello studio.

Differenza fra cervello umano e artificiale durante il gioco

Il cervello umano, contiene circa 80-100 miliardi di neuroni. E’ molto più potente di qualsiasi computer ed è difficile batterlo al gioco. Attualmente, per replicare solo un secondo dell’attività dell’uno per cento del cervello umano, ci vogliono 82.944 processori, un petabyte di memoria principale. Operazione che richiede quaranta minuti. 

DishBrain, grazie al sistema biologico sintetico sviluppato da Kagan e colleghi – potrebbe ottenere risultati migliori. «Abbiamo dimostrato che possiamo interagire con i neuroni biologici viventi in modo tale da costringerli a modificare la loro attività, portando a qualcosa che assomiglia all’intelligenza» – spiega Kagan.

Potenzialità e applicazioni del singolare esperimento

Ovviamente l’esperimento non è finalizzato a ottimizzare le prestazioni al Pong. 

Le sue potenziali applicazioni possono servire a sviluppare “unità di elaborazione biologica” da utilizzare sia nell’informatica, sia nel campo dell’intelligenza artificiale. 

Può anche rivelarsi efficace per studiare le attività cerebrali, aiutare i chimici a capire gli effetti di vari farmaci sul cervello, a livello cellulare, o come si sviluppa l’intelligenza.

«Potrebbe anche aiutare ad adattare i farmaci alla biologia specifica di un paziente, utilizzando neuroni coltivati da cellule staminali prelevate dalla pelle del paziente»- afferma il neuroscienziato Takuya Isomura del RIKEN Center for Brain Science di Saitama, in Giappone. 

«Anche se – aggiunge- , non è ancora chiaro se i neuroni si comportano come hanno fatto per creare un ambiente prevedibile, o in risposta a qualche altro aspetto dei segnali che hanno ricevuto».

Sicuramente, le tecniche sviluppate da DishBrain sono tali, da potersi utilizzare per confrontare le variazioni nell’apprendimento tra diversi animali, o tra cellule di più regioni del cervello.

Prossimo step: effetti di droghe e alcool sul gioco

Gli scienziati si stanno già preparando al secondo step del test: scoprire se droghe e alcool inficiano la qualità del gioco. Cosa combineranno mai dei neuroni ubriachi e sotto effetto di stupefacenti?

Fonti 

Doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-03229-y

I neuroni in vitro imparano e mostrano sensibilità quando sono incarnati in un mondo di gioco simulato

Kagan, B. J. et al. Neuron https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.09.001 (2022).

Croney, C. Il C. & Boysen, S. T. Anteriore. Psicologico. 12, 631755 (2021). PubMed