Aivosolut oppivat pelaamaan Doomia viikossa

Aivosolut pelaavat Doomia

Australialainen Cortical Labs julkaisi helmikuun lopussa videon, jossa sen biologinen tietokone pelaa Doomia. CL1-nimisen laitteen sirun päällä kasvavat 200 000 ihmisaivosolua ohjasivat pelihahmoa kolmiulotteisessa ympäristössä: hahmo etsi vihollisia, ampui ja liikkui käytävillä. Suoritus muistutti aloittelijaa, joka ei ole koskaan koskenut peliohjaimeen.

CL1 on yhtiön mukaan maailman ensimmäinen kaupallisesti saatavilla oleva biologinen tietokone. Se yhdistää laboratoriossa kasvatettuja ihmisaivosoluja piielektroniikkaan tavalla, jota kukaan muu ei ole vielä kaupallistanut.

Pongista Doomiin

Cortical Labsin tarina alkoi vuonna 2022, kun yhtiön DishBrain-koe osoitti ensimmäistä kertaa, että laboratorio-olosuhteissa kasvatetut aivosolut pystyvät oppimaan videopelin. Tuolloin noin 800 000 solua oppi yksinkertaisen Pong-pelin perusteet viidessä minuutissa, mutta koko järjestelmän rakentamiseen kului 18 kuukautta. Neuron-lehdessä julkaistu tutkimus oli ensimmäinen vertaisarvioitu todiste siitä, että irralliset neuronit pystyvät tavoitteelliseen oppimiseen.

Doom on aivan eri luokan haaste. toimija liikkuu kolmiulotteisessa labyrintissa, etsii vihollisia, väistelee hyökkäyksiä ja ampuu. "Se on 3D-peli. Siinä on vihollisia. Pelaajan täytyy tutkia ympäristöä, ja se on vaikeaa", tiivistää yhtiön tutkimusjohtaja Brett Kagan.

CL1 selvisi tästä viikossa – ja vain neljänneksellä DishBrainin solumäärästä. Kehittäjä Sean Cole rakensi pelin ja solujen välisen rajapinnan Pythonilla ilman aiempaa kokemusta biologisesta laskennasta. Harppaus kertoo siitä, että teknologia on siirtynyt laboratorioprototyypistä ohjelmointivalmiiksi tuotteeksi.

Sähkö yhdistää piirin ja neuronin

CL1:n ytimessä on elektrodialusta, jossa 59 elektrodia on asetettuna metalli- ja lasipinnalle. Ihmisen iho- tai verinäytteistä eristetyt solut muunnetaan ensin kantasoluiksi ja sitten neuroneiksi, jotka kasvatetaan elektrodien päälle ravinneliuoksessa. Laitteen sisäinen elinjärjestelmä pitää solut toimintakuntoisina jopa kuusi kuukautta.

Pelitilanteen visuaalinen informaatio muunnetaan sähköimpulsseiksi, jotka syötetään soluille. Solut vastaavat omilla impulsseillaan, ja laite tulkitsee ne pelitoiminnoiksi. "Jos neuronit laukeavat tietyssä kuviossa, Doom-hahmo ampuu", selittää teknologiajohtaja David Hogan. Eri laukeamiskuviot ohjaavat liikkumista, kääntymistä ja ampumista.

Oppiminen perustuu neurotieteestä tuttuun vapaan energian periaatteeseen. Solut pyrkivät minimoimaan ympäristönsä ennakoimattomuutta: oikea pelitoiminto tuottaa ennakoitavan signaalin, väärä liike satunnaisen häiriön. Vähitellen solut järjestäytyvät kuvioihin, jotka minimoivat satunnaisuutta – eli käytännössä oppivat pelaamaan.

Perinteisen tietojenkäsittelyn transistori on joko päällä tai pois. Aivosolu on dynaaminen: se muodostaa uusia yhteyksiä, muuttaa käyttäytymistään ja mukautuu reaaliajassa. "Biologinen materiaali käsittelee tietoa tavoilla, joita emme pysty jäljittelemään piissä", Kagan toteaa.

Doom on vasta demo

Doomin pelaaminen on näyttävä esitys, mutta Cortical Labsin varsinainen tavoite on muualla. Biologinen laskenta voisi muuttaa lääkekehitystä merkittävästi: tutkimuslaboratoriot voisivat testata lääkeaineita suoraan ihmisperäisillä aivosoluilla eläinkokeiden sijaan. Henkilökohtaisessa lääketieteessä potilaan omista soluista kasvatetut neuronit voisivat paljastaa, miten juuri tietty henkilö reagoi hoitoon ennen varsinaisen lääkityksen aloittamista.

Robotiikassa biologiset prosessorit voisivat ohjata tarkkuusrobotteja tehtävissä, joissa perinteisen tekoälyn jäykät mallit eivät riitä. Neuronien kyky mukautua reaaliajassa tekisi robotista joustavamman kuin pelkkään koneoppimismalliin nojaava järjestelmä. Kagan on maininnut robottivarren yhtenä konkreettisena sovelluskohteena.

Energiankulutus voi osoittautua biologisen laskennan vahvimmaksi valtiksi. CL1:n neuronit saavat energiansa glukoosiliuoksesta, käytännössä sokerivedestä. Kokonainen 30 laitteen palvelinräkki kuluttaa alle tuhat wattia, kun vastaavan kokoluokan GPU-klusteri vaatii kymmeniä kilowatteja ja erillisen jäähdytysjärjestelmän. Samaan aikaan kun koko tekoälyala painii kasvavan sähkönkulutuksen kanssa, Cortical Labs tarjoaa toisenlaisen lähestymistavan – sellaisen, joka käyttää polttoaineenaan sokeria.

Cortical Labs ei yritä rakentaa keinotekoisia aivoja. Se yrittää valjastaa biologisen tietojenkäsittelyn periaatteet kaupalliseen käyttöön. Doom-demo osoittaa, että matka laboratoriosta markkinoille on jo tehty.