Что произойдёт, если полностью восстановить в цифровом виде нервную систему плодовой мушки, а затем подключить её к компьютерной игре? Похоже, довольно быстро появится виртуальная муха, играющая в Doom.
Google представила масштабную цифровую карту мозга и центральной нервной системы взрослого самца плодовой мушки. Проект получил название MaleCNS v1.0 и содержит реконструкцию более чем 166 000 нейронов. А почти сразу после публикации карты энтузиасты начали использовать её в необычных экспериментах: цифровой мозг мухи подключили к Doom, Beat Saber и даже другим виртуальным мирам.
За этим забавным экспериментом стоит вполне серьёзная научная задача: понять, как устроена нервная система и каким образом огромное количество отдельных нейронов вместе формирует поведение.
Как оцифровали мозг мухи?
Создание такой карты — далеко не то же самое, что обычное сканирование мозга. Исследователи получили миллионы двумерных изображений нервной ткани, после чего с помощью методов искусственного интеллекта объединили их в единую трёхмерную модель. В результате удалось восстановить расположение более 166 000 нейронов взрослой плодовой мушки и связи между ними.
Получившаяся структура называется коннектомом — подробной картой нервной системы, показывающей, какие нейроны соединены друг с другом. Для нейробиологии это примерно то же самое, что получить подробную электрическую схему сложного компьютера. Зная расположение компонентов и соединения между ними, исследователи могут попытаться понять, как система обрабатывает информацию.
При этом речь идёт именно о цифровой реконструкции нервной системы, а не о том, что Google создала настоящую живую муху внутри компьютера.
Что такое MaleCNS?
MaleCNS v1.0 — цифровой набор данных, описывающий нервную систему взрослого самца плодовой мушки.
Почему именно муха? Её нервная система несравнимо проще человеческого мозга, но при этом она способна выполнять удивительно сложные действия: ориентироваться в пространстве, воспринимать изображения и запахи, выбирать направление движения, искать пищу и реагировать на окружающую среду. Поэтому плодовая мушка стала одним из важнейших модельных организмов для нейробиологии.
Полная карта связей даёт исследователям возможность изучать нервную систему уже не как набор отдельных участков, а как единую сеть. Можно моделировать, какие сигналы поступают на вход, через какие нейроны они проходят и каким образом в итоге возникает определённая реакция.
И тут кто-то запустил Doom
Практическое применение карты оказалось найдено почти мгновенно. Программист Алекс Вормут (Alex Wormuth) подключил цифровую нервную систему мухи к оригинальной версии Doom. Идея эксперимента довольно изящная: каждый кадр игры преобразуется в стимуляцию определённых сенсорных нейронов цифровой мухи. Затем активность нервной системы преобразуется обратно в команды управления игрой. Получается своеобразный виртуальный цикл:
изображение → сенсорные нейроны → цифровая нервная система → двигательная реакция → действие в игре.
В эксперименте предусмотрена и система обратной связи. Когда виртуальная муха получает повреждение, активируются два дофаминовых нейрона PPL101, которые выполняют роль сигнала подкрепления. Это позволяет использовать элементы обучения с подкреплением. Правда, называть это полноценной «игрой мухи в Doom» всё же стоит с некоторой осторожностью. Цифровая модель не является сознанием насекомого, а эксперимент представляет собой компьютерную симуляцию работы реконструированной нервной системы.
Зато сама идея чрезвычайно интересна: исследователь может буквально подавать цифровому мозгу виртуальные стимулы и смотреть, какая реакция возникает на выходе.
Муха попробовала и другие игры
Doom оказался только началом. Другие разработчики подключили цифровую нервную систему к Beat Saber, используя записи игрового процесса и обучение с подкреплением. В этом случае системе показывали, какие действия соответствуют определённым событиям в игре, и постепенно формировали нужные реакции.
Была предпринята и попытка использовать цифровой мозг в Super Mario 64. А другой экспериментатор запустил похожую цифровую модель нервной системы мухи в Minecraft. В последнем случае использовался другой проект — FlyWire.AI, созданный при участии Принстонского университета.
Получается почти сюрреалистическая картина: учёные строят сложнейшую карту нервной системы насекомого, а программисты практически сразу начинают проверять её на компьютерных играх. Но именно такие эксперименты могут оказаться полезными.
Зачем вообще заставлять цифровую муху играть?
Doom здесь интересен не как игра сама по себе, а как контролируемая среда для эксперимента. В обычном мире трудно точно определить, какой именно стимул получил организм и почему после этого изменилось его поведение. В компьютерной игре исследователь может контролировать практически всё: изображение перед «глазами» цифрового организма, звуковые сигналы, последствия действий и систему вознаграждения.
Это позволяет ставить вопросы вроде: достаточно ли известной структуры нейронных связей, чтобы воспроизвести определённую реакцию? Какие участки нервной системы отвечают за принятие решений? Как изменится поведение, если искусственно изменить отдельную связь? Именно здесь коннектом превращается из красивой трёхмерной картинки в экспериментальный инструмент.
От мухи до человеческого мозга — ещё очень далеко
Наиболее впечатляющая часть этой истории одновременно является самой далёкой перспективой. Если можно восстановить нервную систему мухи и запустить её цифровую модель, возникает естественный вопрос: а нельзя ли когда-нибудь сделать то же самое с человеком? Сегодня ответ — нет, до этого чрезвычайно далеко.
Человеческий мозг содержит примерно 86 миллиардов нейронов, соединённых огромным количеством синапсов. Кроме того, одного списка соединений недостаточно для полного описания работы мозга: важны электрические и химические процессы, свойства отдельных клеток, нейромедиаторы, изменения связей во времени и множество других факторов. Поэтому цифровая муха и виртуальный человеческий мозг находятся примерно на противоположных концах шкалы сложности.
Тем не менее подобные проекты дают нейробиологам важный экспериментальный фундамент. Чем лучше мы умеем картировать небольшие нервные системы, тем больше понимаем о принципах, по которым вообще строятся нейронные сети.
И, возможно, однажды именно такие маленькие шаги позволят перейти от вопроса «где находятся нейроны?» к гораздо более сложному: как из их работы возникает поведение?
Пока же цифровая муха осваивает Doom. И, судя по результатам эксперимента, до уровня профессионального игрока ей ещё очень далеко.
