Floresan işaretleyicilerin farklı hücre türlerini gösterdiği sinir hücrelerinin mikroskopi görüntüsü. Yeşil nöronları ve aksonları, mor nöronları, kırmızı dendritleri, mavi ise tüm hücreleri işaretler. Birden fazla işaretçinin mevcut olduğu durumlarda renkler birleştirilir ve işaretçilerin oranına bağlı olarak genellikle sarı veya pembe görünür. Katkı Sağlayan: Cortical Labs
DishBrain, insan nöronlarının bilgiyi işlemek için nasıl birlikte çalıştığını ortaya koyuyor.
Yeni araştırmalar, nöronlara çevredeki değişen dünya hakkında bilgi verildiğinde bunu gösteriyor (göreve ilişkin duyusal girdi) davranışlarını değiştirir, onları gergin hale getirir, böylece küçük girdiler daha sonra beyin aktivitesinde “çığlar” oluşturabilir ve bu da kritik beyin hipotezi olarak bilinen bir teoriyi destekler.
Cortical Labs ve Melbourne Üniversitesi’nden araştırmacılar, Pong oynamayı öğrenen 800.000 insan sinir hücresinden oluşan bir koleksiyon olan DishBrain’i kullandı. Çalışma yakın zamanda Nature Communications dergisinde yayınlandı
Bu, insan beyninin bilgiyi nasıl işlediğine ilişkin tartışmalı bir teoriyi destekleyen bugüne kadarki en güçlü kanıttır.
Kritik beyin hipotezine göre, büyük karmaşık davranışlar ancak nöronlar, küçük girdilerin beyin aktivitesinde “çığlar” oluşturabileceği kadar gergin olduğunda mümkün olur.
Bu iyi dengelenmiş durum, “nöral kritik” durum olarak bilinir ve bu durum arasında yer alır. iki uç nokta: epilepsi gibi hastalıklarda görülen kontrolden çıkmış uyarılma ve sinyallerin durduğu koma durumu.
“Bu, yalnızca yapılandırılmış bilgilerle beslenen ağın kritik duruma yakın bir duruma yeniden düzenlendiğini göstermekle kalmıyor, aynı zamanda Bu durum aynı zamanda daha iyi görev performansına da yol açıyor,” diyor DishBrain’i yaratan biyoteknoloji start-up’ı Cortical Labs’ın Bilimsel Direktörü Dr. Brett Kagan.
“Sonuçlar şaşırtıcı, düşündüğümüzün çok ötesinde. başarmak.”
Araştırma, kritik beyin hipotezi bulmacasına hayati bir parça ekliyor.
Forough Habibollahi, çalışmanın ilk yazarı. Katkı Sağlayan: Forough Habibollahi
Temel Bulgular ve Çıkarımlar
Şu ana kadar, kritikliğin biyolojik nöron ağlarının genel bir özelliği mi olduğunu yoksa bilgisel ağlarla mı ilgili olduğunu gösteren çok az deneysel kanıt vardı. yük.
“Sonuçlarımız, kritik seviyeye yakın ağ davranışının, sinir ağı bir görevle meşgul olduğunda ortaya çıktığını, ancak uyarılmadan bırakıldığında ortaya çıkmadığını gösteriyor” diyor Dr. Kagan.
Ancak, Dr. Kagan’ın araştırması, kritikliğin tek başına sinir ağı yoluyla öğrenmeyi desteklemek için yeterli olmadığını gösteriyor.
“Öğrenim, ağa bir eylemin sonuçları hakkında ek bilgilerin verildiği bir geri bildirim döngüsü gerektirir” diyor Dr. Kagan.{ 4}
En son araştırmalar, DishBrain’in insan beyninin sırlarını ve nasıl çalıştığını açığa çıkarmaya yardımcı olma potansiyelinin altını çiziyor; bu, hayvan modellerinde mümkün değildir.
“Genellikle beyni incelemek için, özellikle de beyin üzerinde Cortical Labs’ta araştırma görevlisi olan ilk yazar Dr. Forough Habibollahi, nöronların ölçeğine göre araştırmacıların hayvan modellerini kullanması gerekiyor, ancak bunu yaparken pek çok zorlukla karşılaşılıyor ve yalnızca sınırlı sayıda denek alınabiliyor” diyor.{ 4}
“DishBrain’in farklı türdeki soruları başka hiç kimsenin yapamayacağı şekilde yanıtlama konusundaki benzersiz yeteneğini gördüğümde, bu projeye başlamak ve ekibe katılmak beni çok heyecanlandırdı.”
Uygulamalar ve Gelecekteki Olasılıklar
Doktorlar ayrıca, felç edici beyin hastalıklarına yönelik tedavilerin keşfedilmesine yardımcı olacak araştırmada büyük bir potansiyel görüyorlar.
“DishBrain kritiklik projesi, Cortical Labs, Biyomedikal Mühendisliği ve Nöroloji arasında harika bir ortak çalışmaya dayalı deneyim oldu.” Melbourne Üniversitesi Tıp Bölümü’ndeki Sinir Dinamikleri Laboratuvarı’nın lideri olan makale yazarı Dr. Chris French şöyle diyor:
“DishBrain nöronlarının kritik dinamikleri, bir dizi nörolojik hastalığın tanı ve tedavisi için temel biyobelirteçler sağlamalıdır. Epilepsiden demansa kadar birçok hastalık var,” diyor.
Yaşayan bir beyin modeli oluşturarak bilim insanları, yalnızca beyin işlevini keşfetmekle kalmayıp aynı zamanda beyin fonksiyonlarını da incelemek için bilgisayar gibi kusurlu benzer modeller yerine gerçek beyin işlevini kullanarak deneyler yapabilecek. uyuşturucuların bunu nasıl etkilediğini test edin.
Araştırmanın aynı zamanda beyin-bilgisayar arayüzlerinde karşılaşılan, sinir hasarı sonucu kaybedilen işlevleri geri getirebilecek zorlukları çözme potansiyeli de var, diyor makalenin yazarı ve başkan Profesör Anthony Burkitt Melbourne Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü, Biyo Sinyaller ve Biyo-Sistemler Bölümü.
“Şu anda araştırdığımız yeni nesil nöral protezlerin ve beyin-bilgisayar arayüzlerinin önemli bir özelliği, gerçek zamanlı kapalı döngünün kullanılmasını içerir. stratejiler” diyor. “Dolayısıyla bu çalışmanın sonuçları, bu kontrol ve uyarım stratejilerinin beyindeki sinir devreleriyle nasıl etkileşime girdiğini anlamak açısından önemli çıkarımlar sağlayabilir.”
“Biyolojik beyin modellemenin bu alanı emekleme aşamasındadır ancak yolu açıyor tamamen yeni bir bilim alanı için,” diyor Dr. Kagan.
Referans: Forough Habibollahi, Brett J. Kagan, Anthony N. Burkitt tarafından “Somutlaştırılmış in vitro nöron ağları içindeki yapılandırılmış bilgi sunumu sırasında kritik dinamikler ortaya çıkıyor” ve Chris French, 30 Ağustos 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-41020-3
Özet
Yapılandırılmış bilgi sırasında kritik dinamikler ortaya çıkar somutlaştırılmış in vitro nöron ağları içindeki sunum
Forough Habibollahi, Brett J. Kagan, Anthony N. Burkitt ve Chris French
Beyinlerin bilgiyi nasıl işlediğini anlamak inanılmaz derecede zor bir iştir. Beyindeki bilgi işlemeyi karakterize eden metrikler arasında, dinamik kritik duruma yakın durumların gözlemleri büyük ilgi uyandırdı.
Ancak, insan ve hayvan modelleriyle ilişkili teorik ve deneysel sınırlamalar, sinirsel sinir sisteminin ne zaman ve neden olduğu konusunda kesin bir cevabın verilmesini engelledi. kritiklik dikkatten bilişe ve bilince kadar olan bağlantılarla ortaya çıkar.
Bu konuyu araştırmak için, Sentetik Biyolojik kanıtları göstermek üzere basitleştirilmiş bir ‘Pong’ oyunu oynamak üzere eğitilmiş kortikal nöronlardan oluşan in vitro bir sinir ağı kullandık. İstihbarat (SBI).
Sinir ağları göreve ilişkin yapılandırılmış duyusal girdi aldığında kritik dinamiklerin ortaya çıktığını ve sistemi kritik duruma yakın bir duruma yeniden düzenlediğini gösteriyoruz. Ek olarak, daha iyi görev performansı, kritik dinamiklere yakınlıkla ilişkiliydi. Bununla birlikte, önceki eylemlerin sonuçlarına ilişkin ek bilgilerin yokluğunda, bir nöron ağının öğrenmeyi göstermesi için kritiklik tek başına yeterli değildir. Bu bulgular, sinirsel kritikliğin, üst düzey bilişe ihtiyaç duymadan gelen yapılandırılmış bilgi işlemenin temel bir özelliği olarak ortaya çıktığı yönünde ikna edici bir destek sunuyor.