Непосредственно наблюдать, что происходит в мозге, трудно: не существует технологии отслеживания происходящих процессов на уровне отдельных нейронов. Поэтому ученые разрабатывают гибридные нейроэлектронные системы, в которых культура нейрональных клеток, выращиваемая в лаборатории, объединена с электромеханическим устройством. Живые нейроны представляют собой крошечный "мозг", к которому подсоединено "тело" — манипулятор и сенсор. Электрическая активность клеток преобразуется в управляющие сигналы для манипулятора, сенсор через контакт с размещенными в культуре электродами обеспечивает обратную связь с нейронами. Такой комплекс, называемый нейроаниматом, в упрощенном виде воспроизводит ситуацию, с которой имеет дело настоящий мозг: исходящая команда от нейронов приводит к ответной активности электродов.
Один из таких аниматов живет в России, в лаборатории кафедры нейродинамики и нейробиологии биологического факультета ННГУ (Нижний Новгород). Культура из нейронов крысы вместе со вспомогательными клетками выращивается на мультиэлектродной подложке. Проект направлен на разработку биологической и математической моделей нейронной системы управления и навигации движения роботов. Ученые могут в реальном времени наблюдать, как нейроны перестраивают активность в ответ на поступающие электрические сигналы. Диссоциированные клетки, помещенные на матрицу, в первые дни соединяются друг с другом своими отростками, формируя разветвленную сеть дендритов и аксонов, по которым начинают проходить импульсы. Первоначально их возбуждения достаточно хаотичны. Но по мере роста и усложнения сети нейроны начинают формировать кластеры, которые "вспыхивают" все более синхронно. В коллективной активности клеток обнаруживаются паттерны, характеризуемые наличием как временных, так и пространственных корреляций, в том числе у клеток, расположенных далеко друг от друга. Такие паттерны, по всей видимости, являются "универсальным концептом кодирования информации в мозге на уровне сигналов активности", считает возглавляющй исследования доктор физико-математических наук Виктор Казанцев.
По словам Кевина Уорвика, профессора Университета Ридинга (Великобритания), активность размещенных на матрице нервных клеток, если они не получают внешних сигналов, приобретает патологический характер. Это можно сравнить с сенсорной депривацией, дезориентирующей живой мозг. Нейросеть входит в состояние, некоторыми чертами напоминающее эпилепсию. Без поддержания обратной связи со средой колония нейронов увядает и погибает в течение нескольких месяцев. Команда исследователей, возглавляемая Уорвиком, разработала гибридного колесного робота Miabot, перемещениями которого управлял "мозг" из ста тысяч крысиных нейронов. Miabot обладал "множественными личностями": ученые пробовали поочередно подключать к нему несколько матриц с нейрональными культурами. "Это удивительно, — признается Уорвик, — но мы заметили, что существует разница между "мозгами". Один мог быть довольно буйным и активным, тогда как другой делал совсем не то, на что мы рассчитывали".
Меняя характер работы электродов обратной связи, можно вызвать перестройку активности всей культуры клеток. Нейроанимат отвечает на поступающую информацию, модифицируя свои связи и порождая новые паттерны возбуждений. Таким путем ученые могут его обучать определенным типам поведения, например, движению манипулятора или виртуального робота. Одна из идей — подключить вместо манипулятора устройство, регулирующее подачу питательного раствора. Тогда анимат научится кормить себя сам. А ученые станут свидетелями того, как у небольшой культуры клеток возникнет полноценная мотивация.