Цифровая копия мозга плодовой мушки, включающая 125 000 нейронов и более 50 миллионов связей между ними, впервые управляла ее виртуальным телом в физической симуляции. До этого виртуальными животными управлял только искусственный интеллект, обученный имитировать поведение живых существ. Однако эта мушка двигалась исключительно благодаря сигналам из цифрового мозга.
В основе движения виртуальной мушки лежит цифровая копия мозга FlyWire, которая нейрон за нейроном воссоздает структуру и работу мозга насекомого. Эта модель была опубликована в журнале Nature в 2024 году. Демонстрацию движения цифровой мушки показал сооснователь компании Eon Systems Майкл Андрегг, однако научная статья с подробным описанием самой работы пока не вышла.
Что мешало воспроизвести работу мозга в цифровом мире
Цифровая копия мозга, полностью воспроизводящая его работу, могла бы помочь лучше понять взаимодействие между разными участками мозга и причины неврологических и психических заболеваний. Но мозг животных, а тем более человека, содержит миллиарды клеток, связанных между собой триллионами синапсов — электрических и химических контактов между нейронами.
Совокупность этих связей называют коннектомом. Первые попытки его воспроизвести начались еще в 1986 году с создания коннектома нематод Caenorhabditis elegans, мозг которых состоит всего из 302 нейронов.
Позже ученые взялись создавать цифровые модели мозга более сложных животных, таких как плодовые мушки (Drosophila melanogaster). Сначала появилась модель мозга личинки насекомого с чуть более чем тремя тысячами нейронов и около 548 000 синапсов. А позже ученые создали цифровую копию мозга взрослого насекомого уже со 139 255 нейронами и 50 миллионами синапсов, которую назвали FlyWire.
На основе этой цифровой копии ученый Филип Шиу из Калифорнийского университета в Беркли (США) создал модель взаимодействия мозга с внешним миром. Для этого исследователи разделили нейроны по типу нейромедиаторов, которые они передают соседним клеткам, — возбуждающих или тормозящих.
Каждый нейрон в такой модели получал нейромедиаторы от соседей пропорционально количеству связей с ними, а когда получал достаточно возбуждающих нейромедиаторов — сам передавал сигнал дальше. Такая система смогла воспроизвести сигналы в мозге плодовой мушки с точностью около 91%.
Однако передача сигнала в такой системе не запускалась сама по себе: ученым приходилось искусственно активировать отдельные нейроны. Другими словами, цифровой мозг все еще существовал отдельно от тела. Позже Филип Шиу, уже став главным ученым Eon Systems, занялся разработкой тела для этой модели.
Как цифровая копия получила виртуальное тело
Следующим этапом стало создание для цифрового мозга виртуального тела, которым он мог бы управлять. Для этого ученые объединили модель мозга с NeuroMechFly — программной платформой, которая воспроизводит тело мухи с реалистичной физикой мышц в среде MuJoCo, разработанной Google DeepMind. Этот симулятор позволяет цифровым объектам взаимодействовать почти так же, как в реальном мире.
Однако сама модель FlyWire не включала нейроны, расположенные за пределами мозга, поэтому передачу сигналов между мозгом и телом приходилось моделировать приблизительно. Ученые знали, какие нейроны активируются, когда мушка хочет пошевелить конечностью или взлететь, и потому преобразовывали сигналы от них в движения мышц внутри симуляции.
Такой подход позволил воспроизвести работу центральной нервной системы: чувствительные нейроны улавливали внешние раздражители, сигнал проходил через коннектом, обрабатывался и затем активировал моторные нейроны, управлявшие движениями насекомого.
На видеодемонстрации виртуальная мушка ползала в разные стороны, чистила антенны, когда к ним прикасались, и высовывала хоботок, когда рядом появлялась еда.
Смогут ли после мушки воспроизвести работу мозга других животных?
В Eon Systems уже заявили, что планируют оцифровать мозг мыши, исследовав под микроскопом все 70 миллионов нейронов и связи между ними. У грызунов нервных клеток примерно в 560 раз больше, чем у плодовой мушки. На основе этих данных компания рассчитывает создать новую модель, способную управлять уже виртуальным телом мыши.
Главная цель компании — в перспективе воспроизвести работу гораздо более сложного человеческого мозга.
Однако переход от плодовых мушек к млекопитающим связан с серьезными ограничениями. В нынешней модели ученые не учитывали ни работу нервной системы за пределами мозга, ни процессы, которые нельзя объяснить одной лишь передачей нейромедиаторов.
Речь идет, в частности, о прямой передаче электрических сигналов между нейронами и о влиянии нейропептидов — коротких цепочек аминокислот, которые тоже участвуют в регуляции работы мозга. Кроме того, модель не обладает нейропластичностью — способностью перестраиваться под новые условия, лежащей в основе обучения и памяти. У млекопитающих эта способность играет куда более важную роль, чем у плодовых мушек.
Читайте также: Осмотическая энергетика: как получить электричество из смешения речной и морской воды.
