Robo Szczury z Ziemi

Jako mniejszy Jędrzej część wolnego czasu spędzałem oglądając w telewizji kreskówki. Niektóre tytuły bardzo mi się podobały, reszta nie miała rozwiniętej, wielowątkowej fabuły, głębokich postaci o skomplikowanym charakterze i rozmytych moralnie sądów, decyzji, które wpływały na misternie zarysowany ekosystem wspólnych powiązań bohaterów bajki. Chłonąc ramówkę przeznaczoną dla młodszych widzów nie sposób było nie zauważyć myszy zasuwających na motorach. Moto Myszy z Marsa, bo tak się zwały, nie dość, że posiadały cyber-wszczepy i czułki, to kopały tyłki złych ludzi w imię wolności i ochrony surowców naturalnych naszej planety. Ten właśnie obraz bionicznej pięści gryzonia zwalczającej niegodziwość towarzyszył mi niemal ciągle przy przeglądaniu co ciekawszych materiałów z tematyki połączenia zwierzęcego mózgu z maszyną. Zobaczymy, czy Wam uda się od niego uciec.

Kontynuując moje mało interesujące wspomnienia, jako dziecko co roku na gwiazdkę marzyłem o zdalnie sterowanym samochodzie. To pragnienie kontroli muszę chyba dzielić razem z Sanjiv Talwarem i Johnem Chapinem. W 2002 roku z ramienia State University of New York Downstate Medical Center pokazali światu swój pomysł na zdalnie sterowanego szczura. Z neurochirurgiczną precyzją umieścili oni w mózgu gryzonia trzy elektrody. Pierwsze dwie powędrowały do kory czuciowo-ruchowej odbierającej sygnały odpowiednio z prawego i lewego szczurzego wąsa. Trzecią naukowcy umieścili w pęczku przyśrodkowym przodomózgowia (MFB). Pęczek ten, jak się zapewne domyślacie, to element układu nagrody. Po operacji wystarczyło podłączyć elektrody z baterią i odbiornikiem sygnału radiowego. Następnie rozpoczynał się trening – szczur otrzymywał wrażenie czuciowe w którymś wąsie połączone z odczuciem przyjemności. Wystarczyło kilka dni by w ten sposób można było sterować gryzoniem poprzez labirynt. Zobaczcie zresztą sami:

Ideę rozwijał zespół z MIT. Niczym w programie Pimp My Rat stary pomysł wzbogacili nowymi technologiami. Po pierwsze pozbyli się dużej baterii wykorzystując zasilanie bezprzewodowe – gryzoń musi dźwigać tylko małą cewkę magnetyczną i biegać w polu magnetycznym innej, większej cewki by urządzenie działało. Po drugie mózg szczura miast prądem pobudzany jest… światłem.

Do pracy zaprzęgnięta została tutaj optogenetyka. Jej filarem są białka światłoczułe obecne w algach czy bakteriach. Posługując się genetyką możemy zidentyfikować kodujące je geny. Co więcej, możemy połączyć je z promotorem innego genu który zidentyfikuje neurony do których chcemy dotrzeć. Korzystając z wirusów jako nośników możemy wprowadzić zmodyfikowany materiał do mózgu zwierzęcia tym samym powodując stymulację odpowiedniej części mózgu tylko za pomocą wiązki światła. Genialne, prawda? Nic dziwnego, że ta technologia została uznana za “Metodę Roku” przez magazyn Nature.

Jak widać na załączonym filmie naukowcom udało się wzbudzić światłem korę ruchową zwierzęcia i zaczęło ono, zgodnie z planem, szybko poruszać się kolistym ruchem. Wszystko to dzięki bezprzewodowemu kontrolerowi podłączonemu do gniazda USB w komputerze stojącym nieopodal oraz lekkiej płytce przytwierdzonej do czaszki gryzonia. Może i nasze mózgi będziemy mogli w przyszłości rozświetlać gdy tylko zechcemy przeżyć chwilę relaksu? A co z odczuciami ekstremalnej przyjemności? Czy wirusy doprowadzające geny alg w te rejony mózgu będą zakazane? Powróćmy jednak do naszych cyber-moto-szczurów, ponieważ w roku 2010 otrzymały od Kevina Warwicka swoje motory.

Sam profesor Warwick jest osobą nietuzinkową. W dzień pracuje jako dziekan wydziału cybernetyki uniwersytetu w Reading. W nocy do głowy przychodzą mu szalenie ciekawe pomysły, takie jak wszczepienie sobie mikronadajnika po to, by system komputerowy w jego laboratorium mógł rozpoznawać jego ruchy, czy też stworzenie robotów, które będą sterowane szczurzym mózgiem. No i oba pomysły udało mu się zrealizować. Dzięki pierwszemu zdobył miano ludzkiego cyborga. Drugi wymagał od niego nie mniejszej finezji, talentu, geniuszu i odwagi.

Zespół Kevina pozyskiwał komórki nerwowe szczurzych embrionów. Następnie dzielił je i rozwijał na pożywce składników odżywczych, antybiotykach czy hormonach wzrostu. Wystarczyła godzina, by komórki zaczęły wydłużać swoje połączenia – po dobie widoczna już była siatka połączeń neuronalnych, rosnących na podatnym gruncie wypełnionym miniaturowymi elektrodami. Grupa naukowców czekała jeszcze tydzień i uruchamiała elektrody szukając naturalnie wytworzonych szlaków tego pseudo-mózgu. Identyfikowali je bardzo prosto – gdy w jednym miejscu neuron wykazywał aktywność szukali innych komórek, które zachowują się podobnie – mogą być więc zakończeniem drogi którą przebył sygnał. Mając garść tak wyznaczonych ścieżek podłączyli przez Bluetooth całą sieć elektrod jako układ kontroli trzykołowego robota naszpikowanego sensorami. Zadaniem tego pojazdu jest skanowanie otoczenia i przekazywanie surowych danych do neuronów szczura, a konkretnie do miejsc, które oznaczono jako początek drogi. Gdy przesłanie sygnału się powiedzie i aktywność pojawi się w innym miejscu jest ona przesyłana do układu kół robota jako instrukcja zmiany kierunku. Najpierw “mózg” odpowiada ospale, tylko czasami, niedbale poruszając robotem. Z czasem jednak uczy się, ścieżki nerwowe się wyrabiają, koła zaczynają wirować coraz szybciej…

Grupa Warwicka związała się z naukowcami z Kanady, by embrionalne komórki nerwowe hodować w trzech, nie dwóch wymiarach ograniczonych siecią elektrod. Robot ich autorstwa, według oszacowań autorów, na bazie 100 000 neuronów. Trójwymiarowa hodowla mogłaby zawierać i 30 000 000 tych komórek. Ciekawe kiedy w takim sztucznym środowisku zaistnieje świadomość…

---

Wentz, C., Bernstein, J., Monahan, P., Guerra, A., Rodriguez, A., & Boyden, E. (2011). A wirelessly powered and controlled device for optical neural control of freely-behaving animals Journal of Neural Engineering, 8 (4) DOI: 10.1088/1741-2560/8/4/046021

Talwar, S., Xu, S., Hawley, E., Weiss, S., Moxon, K., & Chapin, J. (2002). Behavioural neuroscience: Rat navigation guided by remote control Nature, 417 (6884), 37-38 DOI: 10.1038/417037a

Warwick, K., Xydas, D., Nasuto, S., Becerra, V., Hammond, M., Downes, J., Marshall, S., & Whalley, B. (2010). Controlling a Mobile Robot with a Biological Brain. Defence Science Journal, 60(1), 5-14. Retrieved from http://publications.drdo.gov.in/ojs/index.php/dsj/article/view/11