200.000 tế bào não người học cách chơi Doom trên chip máy tính
Trong một thí nghiệm nghe như khoa học viễn tưởng, các nhà nghiên cứu Australia đã huấn luyện khoảng 200.000 tế bào não người sống trên một con chip silicon để chơi Doom, trò chơi bắn súng kinh điển ra đời từ thập niên 1990.
Dù chưa thể chơi giỏi như con người, hệ thống đang mở ra hướng phát triển máy tính sinh học và những ứng dụng đầy tiềm năng trong nghiên cứu bệnh tật, thử nghiệm thuốc.
Khi tế bào não trở thành một “bộ xử lí”
Một nhóm nhà khoa học tại Cortical Labs, công ty công nghệ sinh học Australia, đã tạo ra một hệ thống kết hợp giữa tế bào thần kinh sống và chip máy tính, sau đó huấn luyện chúng tương tác với Doom.
Đây là bước tiến tiếp theo trong một hướng nghiên cứu mà Cortical Labs gọi là máy tính sinh học có thể triển khai bằng mã lệnh đầu tiên trên thế giới. Thay vì chỉ sử dụng transistor và các mạch điện tử, hệ thống tận dụng chính tế bào thần kinh (những đơn vị cơ bản tạo nên bộ não người) để xử lí thông tin.
Cách đây vài năm, Cortical Labs từng gây chú ý khi huấn luyện khoảng 800.000 tế bào não nuôi cấy trên chip chơi Pong, trò chơi mô phỏng bóng bàn ra đời từ thập niên 1970. Sau thành công đó, công chúng liên tục đặt một câu hỏi: Liệu các tế bào não có thể chơi Doom?
Alon Loeffler, nhà khoa học về trí tuệ sinh học tổng hợp tại Cortical Labs, kể: “Internet luôn hỏi: ‘Nó có thể chơi Doom không?’”. Cuối cùng, câu hỏi đã có câu trả lời.
Các tế bào được sử dụng trong thí nghiệm phần lớn có nguồn gốc từ chính CEO Hon Weng Chong, nhưng không phải lấy trực tiếp từ não ông. Chong từng hiến máu để phục vụ nghiên cứu. Các nhà khoa học tách tế bào bạch cầu từ mẫu máu, sau đó tái lập trình chúng thành tế bào gốc.
Những tế bào đặc biệt này có khả năng tự nhân bản và biệt hóa thành nhiều loại tế bào khác nhau. Các nhà nghiên cứu sau đó đưa chúng trở lại một trạng thái giống tế bào phôi, kích thích chúng phát triển thành tế bào thần kinh rồi đặt lên một con chip thủy tinh có kích thước xấp xỉ đồng xu. Ở đó, điện trở thành “ngôn ngữ chung” giữa tế bào thần kinh và máy tính.
Để dạy tế bào chơi Doom, nhóm nghiên cứu chuyển hình ảnh từ trò chơi thành các mô hình kích thích thần kinh. Chẳng hạn, khi một con quỷ xuất hiện ở phía bên trái màn hình, những điện cực tương ứng sẽ kích thích khu vực bên trái của cụm tế bào thần kinh.
Các nhà khoa học sau đó ghi nhận phản ứng điện của tế bào. Những xung điện này được chuyển đổi thành các lệnh điều khiển trong trò chơi. Những kiểu hoạt động thần kinh khác nhau tương ứng với những hành động khác nhau, chẳng hạn di chuyển sang phải, xoay người hoặc bắn.
Nói cách khác, hệ thống không chỉ đưa dữ liệu vào tế bào mà còn đọc lại phản ứng của chúng để biến thành hành động trên màn hình. Kết quả vẫn còn rất khiêm tốn. Các tế bào chơi tốt hơn một hệ thống chỉ phát tín hiệu ngẫu nhiên, nhưng trình độ chỉ tương đương một người mới bắt đầu, thậm chí chưa từng nhìn thấy máy tính.
Brett Kagan, giám đốc khoa học của Cortical Labs, cho biết các tế bào có dấu hiệu tìm kiếm kẻ thù, bắn và xoay người, dù thường xuyên “chết” trong trò chơi. Quan trọng hơn, chúng cho thấy khả năng học hỏi.
Từ trò chơi điện tử đến phòng thí nghiệm y khoa
Điểm đáng chú ý của thí nghiệm không nằm ở việc một cụm tế bào não có thể đánh bại quỷ trong Doom. Giá trị lớn hơn nằm ở khả năng điều khiển và huấn luyện hệ thống thần kinh sống bằng giao diện máy tính.
So với Pong, Doom phức tạp hơn rất nhiều. Trò chơi có góc nhìn thứ nhất, không gian ba chiều, nhiều đối tượng và hàng loạt hành động cần phối hợp. Andrew Adamatzky, nhà khoa học máy tính tại Đại học West of England, cho rằng việc hệ thống có thể tương tác với trò chơi phức tạp như vậy cho thấy những tiến bộ đáng kể trong việc kiểm soát và huấn luyện mạng lưới thần kinh sống.
Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu hoàn toàn cách những tế bào này thực hiện nhiệm vụ. Một câu hỏi lớn là làm thế nào chúng “biết” điều gì đang diễn ra trên màn hình hoặc điều gì được kỳ vọng phải làm. Các nhà nghiên cứu có thể quan sát những xung điện và chuyển chúng thành hành động, nhưng cơ chế phía sau quá trình học vẫn còn nhiều bí ẩn.
Chính khoảng trống kiến thức đó khiến máy tính sinh học trở thành một lĩnh vực nghiên cứu đặc biệt hấp dẫn. Nếu các nhà khoa học có thể hiểu cách mạng lưới tế bào thần kinh tiếp nhận thông tin, học hỏi và thích nghi, công nghệ này có thể vượt xa những trò chơi hoài niệm.
Cortical Labs đang hướng đến các ứng dụng y sinh, đặc biệt trong mô hình hóa bệnh tật và phát triển thuốc. Thay vì thử nghiệm thuốc chỉ trên những mô hình truyền thống, các nhà nghiên cứu có thể nuôi cấy tế bào thần kinh bên ngoài cơ thể và quan sát phản ứng của chúng trước các loại thuốc khác nhau. Đây có thể là hướng tiếp cận đặc biệt hữu ích với những bệnh liên quan đến hoạt động thần kinh, chẳng hạn động kinh.
Quan trọng hơn, công nghệ có thể mở đường cho việc cá nhân hóa điều trị. Nếu tế bào thần kinh được tạo ra từ tế bào của chính một bệnh nhân, các nhà khoa học có thể xây dựng mô hình thần kinh mang đặc điểm sinh học của người đó. Nhiều loại thuốc sau đó có thể được thử nghiệm trên mô hình này để tìm ra phương án phù hợp nhất.
Hon Weng Chong thừa nhận ông muốn thử thách các tế bào với những trò chơi phức tạp khác, thậm chí là Pokémon. Nhưng trò chơi chỉ là cách trực quan để chứng minh khả năng của công nghệ.
Mục tiêu thực sự nằm ở y học. Thí nghiệm Doom vì thế có thể được nhìn nhận như một bước thử nghiệm nhỏ nhưng giàu ý nghĩa: lần đầu tiên, những tế bào thần kinh sống không chỉ được nuôi trong phòng thí nghiệm mà còn trở thành một phần của một hệ thống tính toán có khả năng tiếp nhận tín hiệu, phản ứng và học hỏi.
Nếu các nhà khoa học tiếp tục giải mã được cách những mạng lưới thần kinh này học tập, máy tính sinh học có thể trở thành một công cụ mới nằm giữa sinh học, trí tuệ nhân tạo và y học - nơi tế bào sống không chỉ được nghiên cứu, mà còn trực tiếp tham gia vào quá trình tính toán.