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Learning Matters! The physics of continual learning in biological and soft matter

Description du projet

Ce qu’une cellule unique peut nous apprendre sur l’apprentissage

L’apprentissage est souvent associé au cerveau et aux neurones. Mais la capacité de répondre à des signaux répétés pourrait bien être une propriété plus fondamentale de la matière elle-même. Comprendre l’émergence d’un tel apprentissage pourrait ouvrir de nouvelles possibilités dans les domaines de la science des matériaux et de la médecine. Dans ce contexte, le projet LearningMatters, financé par le CER, étudiera le Physarum, un organisme unicellulaire qui forme des réseaux ramifiés, mais n’a pas de cerveau. Les signaux circulent dans sa structure tubulaire sous forme de flux et de changements chimiques, et son organisme s’adapte en modifiant les propriétés mécaniques de ses parois. En recréant des mécanismes similaires dans des matériaux souples tels que les hydrogels, le projet entend développer une «matière d’apprentissage» qui pourrait un jour soutenir de nouvelles technologies biomédicales, notamment des implants tissulaires avancés.

Objectif

How many times have you wished you could simply pause your brain, only to find, to your frustration, that it is still busy, revisiting and processing inputs?
Response to continual inputs is normal and essential, it is how we learn. In fact, any matter continually responds to input. Yet, our understanding of learning struggles with continual input.
I here break with the current focus on the brain to uncover the physics of continual learning matter instead by investigating the emergence of learning bottom-up in life reduced in complexity to a network-shaped single cell – Physarum.
Lacking any neurons, flows flushing throughout Physarum’s tubular network propagate input packaged as chemical concentration and flow shear force. Tube wall visco-elasticity re-organises in response – continually – learning its future response. Such mechanical learning serves as the blueprint for implementing learning in soft matter, as Physarum’s responsiveness in wall visco-elasticity has its soft matter twin in synthetic hydrogels.
Implementing Physarum’s learning mechanics, cast in the language of theoretical physics, directly into soft matter, I uncover the physics of continual learning matter and, thus, develop biocompatible learning matter. My ambitious aim requires an interdisciplinary approach spanning biology, soft matter, and theoretical physics to
1) reveal how Physarum learns as its matter mechanically responds to input,
2) manufacture synthetic, soft matter flow networks that mimic Physarum’s learning mechanics,
3) derive a theory of continual learning from both biological and soft matter learning data to identify how learned behaviour is selected to last or vanish and
4) apply soft matter learning to initiate proof-of-concept vascularised tissue implants.
My conceptual insight may inspire artificial intelligence but unfolds its ground-breaking power by making learning available in biocompatible soft matter with massive potential for medical treatment with tissue implants.

Champ scientifique (EuroSciVoc)

Mots‑clés

Programme(s)

Thème(s)

Régime de financement

HORIZON-ERC - HORIZON ERC Grants

Voir tous les projets financés dans le cadre de ce programme de financement

Appel à propositions

(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) ERC-2025-COG

Voir tous les projets financés au titre de cet appel

Institution d’accueil

TECHNISCHE UNIVERSITAET MUENCHEN
Contribution nette de l'UE
€ 2 000 000,00
Adresse
Arcisstrasse 21
80333 Muenchen
Allemagne
Région
Bayern Oberbayern München, Kreisfreie Stadt
Type d’activité
Higher or Secondary Education Establishments
Liens
Coût total
€ 2 000 000,00

Bénéficiaires (1)