Генетически модифицированные бактерии играют с учеными в крестики-нолики
Бактерии, играющие в крестики-нолики, звучат довольно неправдоподобно. Но ученые сделали это возможным, модифицировав бактерии Escherichia Coli. Они были «настроены» так, чтобы вести себя как электронные компоненты и действовать как нейронная сеть — форма искусственного интеллекта, способная к обучению.
«Мы предлагаем эволюционную стратегию для разработки генетических схем, способных автономно обучаться принимать решения в сложных условиях«, — резюмируют исследователи в своем научном отчете, который был предварительно опубликован на сайте bioRxiv. На данный момент «принятие решений», о котором идет речь, заключается в том, чтобы сделать правильный выбор в игре «крестики-нолики»: какой квадрат? Не так уж странно, поскольку этот тест часто используется для тестирования систем искусственного интеллекта.
Все началось в 2019 году с работы другой исследовательской группы. Штамм определенной бактерии, Escherichia Coli, был генетически модифицирован, чтобы быть способным чувствовать 12 различных химических веществ и реагировать соответствующим образом, изменяя активность определенных генов. Этот сорт получил прозвище «Марионетка».
Исследовательская группа взяла эту работу и применила дальнейшие модификации. Они включают в себя множество копий двух кольцевых фрагментов ДНК, называемых «плазмидами». Каждая из этих плазмид «кодирует» свой флуоресцентный белок. Один из них красный, другой зеленый. Соотношение этих двух плазмид в бактериях, а значит и их конечный цвет, не определено заранее: на него влияют не только 12 различных химических веществ, но и некоторые антибиотики. Если таких изменений не происходит, соотношение остается постоянным. Таким образом, состав ДНК образует своего рода «память», которая сохраняется до следующего изменения.
С другой стороны, когда вводится новый «вход», с помощью химических веществ или антибиотиков, соотношение (и, следовательно, цвет) меняется, но с учетом предыдущей конфигурации. Это означает, что часть памяти сохраняется, и, следовательно, возможна некоторая форма обучения. Это поведение похоже на поведение электронного компонента, называемого «мемристор». Поэтому этот новый биологический «компонент» ученые назвали «мемрегулонами».
Мемристор — это, по сути, компонент, похожий на транзистор, который может не только обрабатывать, но и хранить данные в своей внутренней памяти. Это компонент, который используется, в частности, для создания так называемых «нейронных сетей». Действительно, во многих случаях сегодня так называемый «искусственный интеллект» состоит из системы, которой «скармливают» большое количество данных, чтобы она «научилась» и извлекла логические связи для определенной цели. Распознавание лиц, текстов… или игра в крестики-нолики… Эти методы обучения вдохновлены работой биологических нейронов. Сегодня они ближе к статистическим методам. Поэтому мы говорим об «искусственной нейронной сети». Передаваемые данные циркулируют в искусственной «сетке» нейронов, обычно виртуальной. На самом деле это точки в сети, «связанные» между собой компьютерным кодом. Таким образом, эта сеть получает входящую информацию, обучающие данные, и посылает исходящую информацию.
Как только бактерии способны принимать входящие данные (химикат или антибиотик), передавать «результат» (изменение ДНК и, следовательно, цвета), сохраняя при этом в памяти предыдущие данные, мы можем понять, какое сравнение проводится. Таким же образом ученые приступили к созданию «нейронной сети» с помощью этих бактерий.
В результате получается система, которая может адаптироваться, учась на своем предыдущем поведении, перепрограммируя себя — короче говоря, как самообучающийся ИИ. В примере с крестиком-ноликом ученые поступили следующим образом: подобно «обучению» бактерий, они применили «обучение с подкреплением», то есть с системой поощрений и наказаний в зависимости от того, было ли действие достаточно стратегическим или нет.
Эти бактерии выращивались в отсеках, соответствующих сетке «крестики-нолики». Каждый раз, когда человек играет, бактерии «информируются» путем добавления химического вещества в отсек, каждое химическое вещество соответствует месту. Хотя вначале бактерия «играла» свой следующий ход случайным образом, в конечном итоге она обучалась с помощью метода подкрепления, когда ее «наказывали», добавляя антибиотики при неправильном действии. Однако не все так просто: на одну игру ушло несколько дней.
Демонстрация проходит на крестиках-ноликах, что довольно безобидно. Однако, по словам ученых, возможности их исследования очень широки. «Модифицированные генные цепи могут наделить живые клетки способностью принимать решения«, — говорят они. Они могут стать способными «перепрограммировать» себя в гораздо более сложных контекстах принятия решений.