Обучение часто считается требующим мозга. Но обучение — широкое понятие, которое не обязательно зависит от нейронов.
Если организм использует информацию из прошлого опыта, чтобы формировать свои будущие решения, он также учится.
Исследование из моей лаборатории, опубликованное в журнале PRX Life, показывает, что даже одна бактерия может учиться на опыте, хранить воспоминания о прошлом и использовать эти воспоминания для подготовки к будущему.
Отслеживание питательных веществ
Бактерии живут в средах, которые постоянно меняются и на многих разных временных масштабах. В человеческом кишечнике, например, уровни питательных веществ колеблются, температура меняется, а угрозы антибиотиков появляются и исчезают.
Чтобы выжить, бактерия должна быстро реагировать на то, что происходит прямо сейчас, при этом сохраняя полезную информацию о том, что она недавно пережила. Слишком быстрая адаптация делает бактерию уязвимой к меняющимся условиям, в то время как слишком быстрое забывание делает ее неспособной предвидеть повторяющуюся угрозу.
Как бактерия справляется с этим балансированием? Этот вопрос заинтересовал меня как вычислительного биофизика, изучающего, как живые системы обрабатывают информацию и адаптируются к меняющейся среде.
Чтобы исследовать, могут ли одноклеточные организмы, такие как бактерии, учиться на прошлом опыте, мои коллеги и я использовали так называемое микрофлюидное устройство для отслеживания поведения десятков тысяч отдельных клеток E. coli, когда мы включали и выключали их источник питательных веществ с разной скоростью.
Мы обнаружили, что бактерии не только реагируют на текущие уровни питательных веществ в своей среде, но и отслеживают свою питательную историю, чтобы справляться с меняющимися условиями.
Если бы бактерии просто реагировали на свою текущую среду, они отвечали бы на внезапный импульс пищи точно так же, независимо от того, была ли их предыдущая среда стабильной или быстро меняющейся. Вместо этого, при воздействии одного и того же притока питательных веществ, бактерии, только что пережившие среду пира и голода, адаптировались гораздо быстрее, чем бактерии из стабильной среды.
Поскольку непосредственные условия были идентичны для обеих бактерий, мы рассудили, что разница в их поведении должна происходить из сохраненной внутренней записи их прошлого, а не из простой реакции на настоящее.
Иными словами, прошлый опыт бактерий формировал их настоящее поведение — они учились.
Где бактерии хранят память
Но где эти клетки хранили эту информацию?
Чтобы лучше понять, как бактерии реагировали на изменения в их питательной среде, моя команда и я построили математическую модель внутренней молекулярной сети, контролирующей рост бактерий. Наша модель не только воспроизвела, как бактерии вели себя в разных питательных средах, но и выявила, где, вероятно, resides их память.
Наша модель указала на компонент клеток, называемый рибосомами, как на потенциальное место хранения памяти. Рибосомы — это молекулярные фабрики клеток, строящие белки и задающие скорость роста клетки. Поскольку бактериальная память проявлялась как изменения в скорости роста, наша модель локализовала источник этой памяти внутри фабрик, определяющих рост. Никакой другой компонент, который мы тестировали в модели, не воспроизвел это поведение.
Некоторые рибосомы реагировали на изменения питательных веществ быстро, другие менялись медленнее. Мы рассудили, что быстрые реагирующие отслеживают то, что происходит в настоящем, в то время как медленные сохраняют следы прошлого. Вместе они дают клетке память, охватывающую многие временные масштабы — от минут до часов.
Бактерии и системы ИИ
Используя нашу математическую модель, мы обнаружили, что эта молекулярная система следует той же базовой вычислительной логике, что и gated recurrent neural network — тип искусственного интеллекта, используемый для обработки последовательностей, таких как речь и сенсорные данные.
Ключом к этому процессу является то, что компьютерные ученые называют gate — то есть молекулярный переключатель, решающий, сколько существующей памяти сохранить и сколько перезаписать при поступлении новой информации. Клетки удерживают память ценой, потому что поддержание готовности к адаптации происходит за счет роста. Если бактерия тратит энергию на адаптацию к текущей среде, у нее меньше ресурсов на рост. Бактерии используют молекулярные gates, чтобы активно настраивать, сколько сохранить и сколько отбросить.
Что такое нейросеть и как она «учится»?
Современные системы ИИ полагаются на gates, чтобы запоминать важные детали, оставаясь достаточно гибкими для изучения нового. В бактерии gate построен не из программного обеспечения, а из химии внутри клетки.
Эта стратегия также помогает решить проблему, знакомую исследователям ИИ: как узнать что-то новое, не стирая то, что было изучено раньше. Бактериальные клетки балансируют память и гибкость, храня информацию на многих временных масштабах. Такого рода вычисления, зависящие от истории, не требуют нейронов. Вместо этого наше исследование показало, что достаточно сети популяций рибосом.
Задолго до того, как люди построили искусственный интеллект, бактерии уже эволюционировали remarkably похожую стратегию использования прошлого для подготовки к будущему.
Использование бактериальной памяти
Используя самое широкое определение обучения, наши findings показывают, что память и обучение могут возникать из химических сетей в клетке, без мозга или нейронов любого рода.
Наша работа также раскрывает неожиданную связь между биологией и искусственным интеллектом. Для биологии наша математическая модель дает точный, количественный язык для описания того, как клетки обрабатывают информацию и принимают решения. Для искусственного интеллекта она предлагает биологический чертеж для построения систем, способных учиться непрерывно в жестких энергетических ограничениях.
Эти findings также могут иметь последствия для медицины. Многие патогенные бактерии выживают, адаптируясь к меняющимся условиям внутри организма. Если эта адаптивность зависит от клеточной памяти, то будущие лекарства для лечения инфекций могли бы разрушать молекулярные компоненты, позволяющие клеткам хранить и использовать информацию об их среде.
Память без мозга: урок для ИИ и медицины
Эта работа меняет представление о том, что такое обучение.
Мы привыкли думать, что для обучения нужен мозг. Нейроны, синапсы, сложные сети. Но бактерии доказывают обратное.
Одна клетка E. coli запоминает прошлое. Она хранит информацию о питательных веществах, о стрессе, о среде. И использует эту информацию, чтобы подготовиться к будущему.
Механизм — рибосомы. Молекулярные фабрики, которые строят белки. Некоторые реагируют быстро, некоторые медленно. Вместе они создают память, охватывающую минуты и часы.
Это удивительно похоже на нейросети. Gates, которые решают, что сохранить и что забыть. Только вместо программного обеспечения — химия.
Для ИИ это урок. Как учиться непрерывно, не забывая старое? Как балансировать память и гибкость? Бактерии решили эту проблему миллиарды лет назад.
Для медицины это надежда. Если патогенные бактерии выживают благодаря памяти, мы можем атаковать эту память. Разрушить молекулярные механизмы, которые позволяют им адаптироваться. Сделать их уязвимыми.
Обучение — не привилегия мозга. Это свойство жизни. И бактерии доказывают это каждый день.
Источники: PRX Life, исследование лаборатории автора, данные о поведении E. coli.
Ваш комментарий