เครื่องบินรบ

"สมอง" ซึ่งเป็นชุดของเซลล์ประสาทที่มีชีวิต 25,000 เซลล์หรือเซลล์ประสาท ที่นำมาจากสมองของหนูและเพาะเลี้ยงในจานแก้ว ทำให้นักวิทยาศาสตร์มีหน้าต่างแบบเรียลไทม์ที่ไม่เหมือนใครเข้าสู่สมองในระดับเซลล์ จากการเฝ้าดูปฏิสัมพันธ์ของเซลล์สมอง นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะเข้าใจว่าอะไรเป็นสาเหตุของความผิดปกติของระบบประสาท เช่น โรคลมบ้าหมู และเพื่อหาวิธีการแทรกแซงที่ไม่รุกล้ำ ในฐานะที่เป็นคอมพิวเตอร์ที่มีชีวิต สักวันหนึ่งพวกเขาอาจถูกใช้เพื่อบินเครื่องบินไร้คนขับขนาดเล็กหรือจัดการงานที่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ เช่น ภารกิจค้นหาและกู้ภัยหรือการประเมินความเสียหายจากระเบิด "เราสนใจที่จะศึกษาวิธีคำนวณของสมอง" โทมัส เดอมาร์ส ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ของ UF ซึ่งเป็นผู้ออกแบบการศึกษากล่าว "ถ้าคุณคิดเกี่ยวกับสมองของคุณ การเรียนรู้และกระบวนการความจำ ฉันสามารถถามคำถามคุณเกี่ยวกับตอนที่คุณอายุ 5 ขวบและคุณสามารถดึงข้อมูลได้ นั่นเป็นความจุมหาศาลสำหรับหน่วยความจำ อันที่จริง คุณทำงานที่ค่อนข้างง่ายที่คุณ จะคิดว่าคอมพิวเตอร์จะทำสำเร็จได้ง่ายๆ แต่จริงๆ แล้วทำไม่ได้" แม้ว่าคอมพิวเตอร์จะประมวลผลข้อมูลบางประเภทได้เร็วมาก แต่ก็ไม่สามารถเข้าใกล้ความยืดหยุ่นของสมองมนุษย์ได้ DeMarse กล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สมองสามารถสร้างการคำนวณบางประเภทได้อย่างง่ายดาย เช่น การจำเฟอร์นิเจอร์ที่ไม่คุ้นเคยเป็นโต๊ะหรือโคมไฟ ซึ่งเป็นเรื่องยากมากที่จะตั้งโปรแกรมลงในคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน "หากเราสามารถแยกกฎของวิธีการที่เครือข่ายประสาทเหล่านี้ทำการคำนวณ เช่น การจดจำรูปแบบ เราก็สามารถนำกฎนั้นมาสร้างระบบคอมพิวเตอร์แบบใหม่ได้" เขากล่าว "สมอง" ทดลองของ DeMarse โต้ตอบกับเครื่องจำลองการบิน เครื่องบิน ขับไล่ F-22 ผ่านแผ่นที่ออกแบบมาเป็นพิเศษที่เรียกว่าอาร์เรย์แบบหลายอิเล็กโทรดและคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปทั่วไป DeMarse กล่าวว่า "โดยพื้นฐานแล้วมันคือจานที่มีอิเล็กโทรด 60 ขั้วเรียงเป็นตารางด้านล่าง "เหนือสิ่งอื่นใด เราใส่เซลล์ประสาทเยื่อหุ้มสมองที่มีชีวิตจากหนู ซึ่งจะเริ่มเชื่อมต่อตัวเองใหม่อย่างรวดเร็ว สร้างเครือข่ายประสาทที่มีชีวิต ซึ่งก็คือสมอง" สมองและเครื่องจำลองสร้างการเชื่อมต่อแบบสองทาง คล้ายกับวิธีที่เซลล์ประสาทรับและตีความสัญญาณจากกันและกันเพื่อควบคุมร่างกายของเรา DeMarse กล่าวว่า การสังเกตว่าเซลล์ประสาทมีปฏิสัมพันธ์กับเครื่องจำลองอย่างไร นักวิทยาศาสตร์สามารถถอดรหัสว่าโครงข่ายประสาทเทียมสร้างการเชื่อมต่อและเริ่มคำนวณได้อย่างไร DeMarse กล่าว เมื่อ DeMarse ใส่เซลล์ประสาทลงในจานเป็นครั้งแรก พวกมันดูเหมือนเม็ดทรายที่โปรยลงในน้ำเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ในไม่ช้า เซลล์ประสาทแต่ละเซลล์จะเริ่มขยายเส้นจุลภาคเข้าหากัน ทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่แสดงถึงกระบวนการทางประสาท "คุณเห็นกระบวนการขยาย ดึงกลับ ขยายออก และอาจทำอย่างนั้น 2-3 ครั้ง เพียงแค่สุ่มตัวอย่างว่าใครอยู่ข้างๆ จนกว่าเมื่อเวลาผ่านไป การเชื่อมต่อจะเริ่มสร้างตัวเอง" เขากล่าว "(สมองกำลัง) นำเครือข่ายไปยังจุดที่เป็นอุปกรณ์คำนวณสด" ในการควบคุมเครื่องบินจำลอง เซลล์ประสาทจะรับข้อมูลจากคอมพิวเตอร์เกี่ยวกับสภาพการบินเป็นอันดับแรก: ไม่ว่าเครื่องบินจะบินตรงและได้ระดับหรือเอียงไปทางซ้ายหรือขวา จากนั้นเซลล์ประสาทจะวิเคราะห์ข้อมูลและตอบสนองด้วยการส่งสัญญาณไปยังส่วนควบคุมของเครื่องบิน สัญญาณเหล่านั้นเปลี่ยนเส้นทางการบิน และข้อมูลใหม่จะถูกส่งไปยังเซลล์ประสาท สร้างระบบป้อนกลับ DeMarse กล่าวว่า "ในตอนแรกที่เราต่อสมองนี้เข้ากับเครื่องจำลองการบิน มันจะไม่รู้วิธีควบคุมเครื่องบิน" "คุณต่อสายเข้าและเครื่องบินก็ล่องลอยแบบสุ่ม และเมื่อข้อมูลเข้ามา มันจะปรับเปลี่ยนเครือข่าย (ประสาท) อย่างช้าๆ เมื่อเวลาผ่านไป เครือข่ายจะค่อยๆ เรียนรู้ที่จะบินเครื่องบิน" แม้ว่าในปัจจุบันสมองจะสามารถควบคุมระยะและการหมุนของเครื่องบินจำลองในสภาพอากาศตั้งแต่ท้องฟ้าสีฟ้าไปจนถึงลมพายุเฮอริเคนรุนแรง แต่เป้าหมายพื้นฐานคือความเข้าใจพื้นฐานที่มากขึ้นว่าเซลล์ประสาทมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรในฐานะเครือข่าย DeMarse กล่าว "มีข้อมูลจำนวนมากที่จะบอกคุณว่าการคำนวณที่เกิดขึ้นที่นี่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเซลล์ประสาทเพียงเซลล์เดียว คุณสมบัติการคำนวณเป็นคุณสมบัติที่เกิดขึ้นใหม่ของเซลล์ประสาทหลายร้อยหรือหลายพันเซลล์ที่ทำงานร่วมกันเพื่อสร้างพลังการประมวลผลที่น่าทึ่งของ สมอง." ด้วย Jose Principe ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่มีชื่อเสียงของ UF และผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการ NeuroEngineering Computational NeuroEngineering ของ UF ทำให้ DeMarse ได้รับทุน $ 500,000 National Science Foundation เพื่อสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่จำลองวิธีการคำนวณของเซลล์ประสาท สตีเว่น พอตเตอร์ ผู้ช่วยศาสตราจารย์จาก Georgia Tech/Emory Department of Biomedical Engineering ซึ่งใช้เซลล์สมองเพาะเลี้ยงเพื่อศึกษาการเรียนรู้และความจำ เครือข่ายประสาทที่มีชีวิตเหล่านี้กำลังถูกใช้เพื่อบรรลุเป้าหมายการวิจัยทางวิศวกรรมและประสาทชีววิทยาที่หลากหลาย DeMarse เป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกในห้องทดลองของ Potter ที่ Georgia Tech ก่อนที่เขาจะมาที่ UF “ผู้คนจำนวนมากสนใจว่าสมองของสัตว์และผู้คนจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อพวกเขาเรียนรู้สิ่งต่างๆ” พอตเตอร์กล่าว "เราสนใจที่จะเจาะลึกเข้าไปในเครือข่ายและกลไกของเซลล์ ซึ่งยากที่จะทำในสัตว์ที่มีชีวิต และเป้าหมายทางวิศวกรรมก็คือการได้รับแนวคิดจากระบบนี้เกี่ยวกับวิธีที่สมองคำนวณและประมวลผลข้อมูล" แม้ว่า "สมอง" จะสามารถควบคุมโปรแกรมจำลองการบินได้สำเร็จ แต่การใช้งานที่ซับซ้อนกว่านี้ยังห่างไกลออกไปมาก เดอมาร์สกล่าว "เราเพิ่งเริ่มต้น แต่การใช้โมเดลนี้จะช่วยให้เราเข้าใจข้อมูลสำคัญระหว่างอินพุตและสิ่งที่ออกมา" เขากล่าว "และคุณสามารถจินตนาการได้ว่ายิ่งคุณเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งนั้นมากเท่าไหร่ คุณก็ยิ่งสามารถควบคุมการคำนวณของเซลล์ประสาทเหล่านี้ไปสู่การใช้งานที่หลากหลาย"