Цифрова копія мозку плодової мушки зі 125 тисячами нейронів і понад 50 мільйонами зв’язків між ними покерувала її віртуальним тілом у фізичній симуляції. Досі віртуальними тваринами керував лише штучний інтелект, навчений імітувати поведінку живих істот, але ця мушка рухалася виключно завдяки сигналам із цифрового мозку. Рух мушки заснований на карті FlyWire, яка нейрон за нейроном відтворює будову та роботу мозку комахи, — її у 2024 році опублікували в журналі Nature. Демонстрацію руху мушки опублікував у X (колишній Twitter) співзасновник компанії-розробника Eon Systems Майкл Андреґґ, але стаття з її описом поки не вийшла в науковому журналі.
Відеодемонстрація того, як віртуальне тіло плодової мушки порухалося в фізичній симуляції завдяки сигналам із цифрової копії мозку. Справа видно, як сигнали поширюються у цифровому мозку після взаємодії з середовищем. YouTube
Що досі заважало відтворити роботу мозку живої істоти в цифровому світі?
Цифрова копія мозку, яка повністю відтворює його роботу, могла б допомогти краще зрозуміти взаємодії між різними ділянками мозку та причини неврологічних і психічних захворювань. Але мозок тварин, а тим більше людини, містить мільярди клітин, які взаємодіють між собою завдяки синапсам — електричним і хімічним контактам між клітинами. Сукупність цих зв’язків називають конектомом, і перші спроби його відтворити почалися ще у 1986 році зі створення конектому нематод Caenorhabditis elegans, мозок яких складається усього з 302 нейронів.
Пізніше науковці взялися створювати цифрові моделі мозку складніших тварин, таких як плодові мушки (Drosophila melanogaster). Спершу з’явилася модель мозку личинки комахи з трохи більш як трьома тисячами нейронів і близько 548 тисячами синапсів. А пізніше науковці створили цифрову копію мозку дорослої комахи вже зі 140 тисячами нейронів і 50 мільйонами синапсів, яку назвали FlyWire.
Цифрова карта мозку плодової мушки з усіма її нейронами та нервовими зв'язками. Amy Sterling, Murthy and Seung Labs, Princeton University
На основі цієї карти науковець Філіп Шіу з Університету Каліфорнії в Берклі створив модель того, як мозок взаємодіє із зовнішнім світом. Команда дослідників розділила нейрони за типом хімічних сигналів-нейромедіаторів, які вони посилають сусідам — збуджувальні чи гальмівні. Кожен нейрон у такій моделі отримував нейромедіатори від сусідів, пропорційно кількості зв’язків з ними, а коли отримав достатньо збуджувальних нейромедіаторів — сам передавав сигнал далі. Така система змогла відтворити сигнали в мозку плодової мушки з точністю 91 відсоток. Але науковцям доводилося штучно активувати якийсь із нейронів, щоб запустити передачу сигналу далі, тобто мозок існував окремо від тіла. Вже як головний науковець компанії Eon Systems Філіп Шіу зайнявся розробкою тіла для цифрового мозку.
Як цифрова копія отримала тіло?
Наступним етапом дослідження стало надання цифровому мозку фізичного тіла, яким він міг би керувати. Для цього науковці поєднали мозок із NeuroMechFly — програмним каркасом, який симулює тіло мухи з реалістичною фізикою м'язів у середовищі MuJoCo, розробленому Google DeepMind. Це симулятор фізичних об’єктів, який дозволяє їм взаємодіяти, як у реальному світі.
Карта FlyWire не відтворювала нейронів у тілі мушки, через що передавання сигналів між мозком і рештою тіла відбувалося наближено. Науковці знали, які нейрони активуються, коли мушка хоче порухати кінцівкою чи злетіти. Тому сигнали від цих нейронів вони перетворювали на рухи її м’язів у симуляції.
Такий підхід дозволив відтворити роботу центральної нервової системи: чутливі нейрони вловлювали дію подразників ззовні, сигнал передавався через конектом, оброблявся й активував моторні нейрони, які керували рухами комахи. На відеодемонстрації мушка поповзала в різні боки, почистила антени, коли їх щось торкнулося, і висунула хоботок, коли відчула поруч їжу.
Чи зможуть після мушки відтворити роботу мозку інших тварин?
У компанії Eon Systems уже заявили про те, що планують оцифрувати мозок миші, дослідивши під мікроскопом усі 70 мільйонів нейронів і зв’язки між ними — нервових клітин у гризунів у 560 разів більше, ніж у плодової мушки. На основі цього побудують нову модель, що керуватиме уже тілом миші. Основною ж ціллю компанії є відтворити роботу значно складнішого людського мозку.
Але між дослідженням на плодових мушках і ссавцях є суттєве обмеження: науковці не враховували ані роботу нервів за межами мозку, ані процеси в мозку, які не пояснюються нейромедіаторами. Серед них — передавання електричних сигналів між нейронами та вплив на них коротких амінокислотних послідовностей, званих нейропептидами. Окрім цього, модель не здатна до нейропластичності — адаптації до нових умов, необхідної для навчання та пам’яті. Ця здатність у мозку ссавців відіграє значно більшу роль, ніж у плодових мушок.
Як живі організми стають частиною комп’ютерів
🐀 Одним із членів команди Eon Systems є інженер Віктор Тот, який навчив пацюків бігати та натискати на гачок у відеогрі DOOM II.
🔫 У відеогру DOOM також зміг зіграти чип із людськими клітинами від компанії Cortical Labs — щоправда, стріляв він гірше за досвідчених гравців.
🏓 А британські фізики довели, що можна навчити грати в просту відеогру Pong навіть гідрогель без жодної клітини мозку.
