DOOM запустили на человеческих мозговых клетках

Пиксельный демон появляется в левой части экрана. Звучит выстрел из дробовика, монстр падает. Стандартная сцена из культового шутера 1993 года, если бы не одна деталь: у игрока нет ни глаз, ни рук, ни геймпада. У него вообще нет тела. По ту сторону экрана находится сгусток из двухсот тысяч живых человеческих нейронов, выращенных на кремниевом чипе. И они только что совершили осознанное действие в виртуальном мире.



В 2022 году австралийская технологическая компания Cortical Labs провела эксперимент, который сильно изменил подход к компьютерным вычислениям. Инженеры вырастили на микрочипе культуру живых человеческих клеток мозга и научили эту биологическую сеть играть в классическую двухмерную аркаду Pong. Это было первое практическое доказательство того, что нейроны в лабораторных условиях способны адаптироваться к цифровой среде и целенаправленно изменять свое поведение.

Однако Pong — это технически примитивная среда. Движение мяча и ракетки происходит по строгим, предсказуемым линейным траекториям. Интернет–сообщество, следившее за проектом, задало разработчикам традиционный мемный вопрос: «А можно ли на нём запустить DOOM?».

Спустя полтора года инженеры ответили утвердительно. Культура клеток действительно смогла управлять персонажем в трехмерном шутере. Переход от простой двухмерной плоскости к хаотичной 3D–среде потребовал от исследователей решить сложнейшую инженерную задачу: создать надежный двусторонний интерфейс для перевода сложной цифровой информации на язык биологического электричества.

Аппаратная платформа: как поддерживать жизнь процессора

Современные процессоры работают на кремнии, требуют интенсивного охлаждения и потребляют огромное количество энергии. Биологический вычислительный модуль требует совершенно иных условий. Основой технологии Cortical Labs стала система, получившая название CL1. Внешне это компактное настольное устройство, но по своей сути это высокотехнологичный инкубатор, совмещенный с сервером.

Внутри CL1 поддерживается строгий микроклимат. Система непрерывно подает к клеткам жидкую питательную среду, строго дозирует уровень кислорода, отводит углекислый газ и поддерживает температуру ровно на отметке 37 градусов Цельсия. Без этой аппаратной поддержки биологический процессор погибнет за несколько минут.

В центре этого инкубатора располагается главный элемент — мультиэлектродный массив (MEA). Это кремниевая пластина, на которой вытравлена сетка из микроскопических контактов. Поверх этой сетки размещена культура, состоящая примерно из двухсот тысяч живых человеческих нейронов. Клетки растут, образуют между собой физические связи (синапсы) и формируют плотную нейронную сеть, которая физически соприкасается с электродами.

Этот массив выполняет функцию двустороннего моста между компьютером и биомассой. Электроды способны выполнять две задачи: они могут подавать электрический разряд на конкретную группу клеток, и они же способны фиксировать электрические импульсы, которые генерируют сами нейроны в процессе своей активности.
Трансляция данных: от пикселей к электричеству

Запуск DOOM на биологической сети — это проблема перевода. Клетки в инкубаторе не имеют глаз, они не видят экран, не понимают геометрию уровней и не знают, что такое виртуальные противники. Вся информация из игры должна быть конвертирована в электрические сигналы.

Для решения этой задачи инженеры Cortical Labs разработали специализированный программный интерфейс (API), который позволяет любому коду взаимодействовать с системой CL1. Используя этот интерфейс, независимый исследователь Шон Коул написал программу на языке Python, которая связала движок DOOM с электродным массивом.

Процесс обмена данными работает по строгому циклу, который повторяется десятки раз в секунду. Сначала программа анализирует текущий кадр игры. Допустим, в левой части виртуального пространства появляется противник. Программа регистрирует это событие и немедленно отправляет команду на инкубатор CL1.

Устройство активирует определенную группу электродов, расположенных в левой зоне нейронной культуры. Клетки в этой зоне получают электрический разряд. Для нейронов этот разряд является сенсорным сигналом, сообщающим об изменении внешней среды. В ответ на эту стимуляцию биологическая сеть начинает генерировать собственные электрические импульсы.

Система электродов мгновенно считывает эти ответные импульсы и передает их обратно в программу Шона Коула. Программа анализирует, в какой именно зоне массива произошел разряд, и интерпретирует его как нажатие клавиши клавиатуры. Если импульс зафиксирован в одной зоне, персонаж в игре делает шаг. Если в другой — персонаж поворачивается. Если в третьей — производит выстрел из виртуального оружия.
Биологическая мотивация: обучение через предсказуемость

Главный вопрос заключается в том, как заставить клетки выполнять нужные действия. Нейроны не понимают концепции победы в видеоигре и не стремятся набрать больше очков. Они реагируют исключительно на физические раздражители. Чтобы заставить сеть обучаться, инженеры использовали базовый биологический механизм — стремление любой живой системы к стабильности и минимизации стресса.

Вся система обучения построена на обратной связи. Когда виртуальный персонаж под управлением нейронов совершает ошибку — например, получает урон от противника или совершает абсолютно бесполезное действие — программа отправляет на электроды хаотичный, непредсказуемый электрический сигнал. На клеточном уровне такой сигнал воспринимается как сильнейший раздражитель, выводящий сеть из состояния равновесия. Клетки физически не способны адаптироваться к постоянному хаосу.

Когда же персонаж совершает правильное действие — успешно атакует врага или уклоняется от удара — программа посылает на массив электродов предсказуемый, упорядоченный и ритмичный электрический паттерн. Для биологической ткани такой сигнал является маркером стабильности среды.

Чтобы снизить количество хаотичных разрядов и чаще получать предсказуемые сигналы, нейроны начинают физически перестраивать свою структуру. Они создают новые синаптические связи и разрушают старые, оптимизируя маршруты передачи электричества внутри своей сети. Побочным эффектом этой исключительно биологической адаптации становится то, что персонаж на экране начинает играть в DOOM более осмысленно.

Текущие результаты и значение эксперимента

На данный момент уровень игры биологической сети далек от совершенства. Разработчики честно признают, что нейроны ведут себя как люди, которые впервые в жизни взяли в руки контроллер. Виртуальный персонаж часто совершает хаотичные движения, вращается на месте и регулярно проигрывает. Однако статистический анализ активности показывает четкую динамику: клетки демонстрируют способность находить противников в трехмерном пространстве, целиться и вести огонь. Они учатся, и с каждой новой попыткой процент целевых действий неуклонно возрастает.

Эксперимент с DOOM доказывает главное: базовая проблема аппаратного интерфейса между компьютером и живой тканью успешно решена. Инженеры научились поддерживать жизнь клеток вне организма и наладили стабильный двусторонний канал передачи данных в режиме реального времени.

Теперь фокус исследований смещается в область программирования. Искусственный интеллект, работающий на кремниевых микрочипах, требует строительства огромных дата–центров и потребляет мегаватты электроэнергии. Биологические сети, напротив, обладают высокой энергоэффективностью и способны физически менять свою архитектуру под конкретную задачу. Понимание того, как правильно передавать информацию в такие системы, откроет путь к созданию принципиально новых вычислительных машин.

Перед исследователями стоит следующая амбициозная задача: определить идеальные параметры взаимодействия. Им предстоит выяснить, какие именно алгоритмы, частоты и амплитуды электрической стимуляции позволят живым клеткам усваивать и обрабатывать цифровую информацию с максимальной точностью. Когда этот код будет найден, биологические процессоры смогут решать вычислительные задачи, недоступные для традиционной электроники.

источник