Мозг мухи оцифровали: что создали учёные и зачем его запустили в DOOM

Учёные создали самую подробную на сегодняшний день цифровую карту центральной нервной системы взрослой мухи-дрозофилы. В модель вошли почти 167 тысяч нейронов и около 125 миллионов синаптических контактов, благодаря чему исследователи смогли проследить огромное количество связей между клетками — от органов чувств до участков нервной системы, отвечающих за движение и поведение. Само по себе это достижение стало важным событием для современной нейробиологии, однако настоящую популярность история получила позже.

После публикации данных разработчики начали использовать цифровую модель мозга мухи в необычных компьютерных экспериментах. В результате её уже подключили к DOOM, заставили реагировать на происходящее в игре, а затем использовали в эксперименте с торговлей биткоином. Именно поэтому в соцсетях сейчас активно распространяется формулировка о том, что учёные якобы «оцифровали мозг мухи».

На самом деле история действительно впечатляющая, хотя формулировка про полное оцифровывание мозга несколько упрощает происходящее. Исследователи не перенесли сознание живого насекомого в компьютер и не создали точную цифровую копию конкретной мухи. Они построили подробнейший коннектом — схему центральной нервной системы, показывающую, где расположены нейроны и каким образом они соединяются друг с другом.

Такая карта позволяет прослеживать пути прохождения сигналов через нервную систему и изучать, как информация от зрения, обоняния или других органов чувств может превращаться в определённые действия. Для науки это очень важный шаг, потому что теперь исследователи получили возможность изучать работу нервной системы не по отдельным фрагментам, а как гораздо более цельную систему.

Что именно оцифровали учёные

Объектом исследования стал самец обычной плодовой мушки Drosophila melanogaster — одного из самых известных модельных организмов в биологии. Учёные создали цифровую карту, содержащую 166 691 нейрон и около 125 миллионов контактов между ними. В неё вошёл не только сам мозг, но и вентральная нервная цепочка, которая у насекомых выполняет часть функций, похожих на функции спинного мозга позвоночных животных.

Благодаря этому исследователи получили возможность проследить, как сигналы проходят через разные отделы нервной системы и в итоге могут приводить к движению, реакции на раздражитель или другим формам поведения. Фактически перед учёными оказалась огромная схема, в которой можно видеть отдельные клетки и связи между ними. Именно поэтому в массовых публикациях её и называют «цифровым мозгом мухи».

Создание подобной карты требует огромного объёма данных и вычислений. Ткани нервной системы исследуют с помощью электронной микроскопии, получая большое количество изображений чрезвычайно высокого разрешения. Затем специальные алгоритмы и системы искусственного интеллекта анализируют эти изображения, выделяют отдельные нейроны и восстанавливают их форму.

После этого исследователям необходимо определить, какие клетки соединяются между собой и где находятся синаптические контакты. Часть такой работы автоматизирована, но результаты всё равно требуют серьёзной проверки специалистами. В итоге получается трёхмерная цифровая структура, позволяющая буквально перемещаться по нервной системе и наблюдать связи между её отдельными элементами.

Перенесли ли сознание мухи в компьютер

Несмотря на громкие заголовки, сознание мухи в компьютер никто не переносил. Цифровая карта показывает архитектуру нервной системы, но одной схемы соединений недостаточно, чтобы полностью воспроизвести работу живого мозга. Настоящие нейроны постоянно взаимодействуют с помощью электрических и химических сигналов, а на их активность влияют нейромедиаторы, состояние организма, органы чувств, гормоны, окружающая среда и множество других факторов.

Даже если точно знать, какие клетки соединены друг с другом, это ещё не означает, что можно полностью восстановить поведение конкретного организма. Поэтому нынешняя модель остаётся основой для симуляций, а не полноценной цифровой копией живой мухи.

Разработчики могут использовать опубликованную структуру и задавать математические правила, по которым виртуальные нейроны будут реагировать на поступающие сигналы. Такая система уже может демонстрировать сложное поведение, однако значительная часть параметров всё равно определяется людьми. Именно на этой основе появились проекты, в которых цифровую нервную систему мухи подключают к компьютерным играм и другим внешним системам.

Важно понимать, что это не настоящая муха, живущая внутри компьютера, а симуляция, построенная на основе реальной анатомической структуры. Тем не менее сам факт, что такая структура уже может использоваться в интерактивных цифровых экспериментах, делает эту работу особенно интересной.

Как цифровой мозг мухи запустили в DOOM

Одним из самых вирусных экспериментов стал проект DOOMFLY, в котором цифровая модель нервной системы мухи используется для управления персонажем в классическом шутере DOOM. Изображение из игры преобразуется в сигналы, которые поступают на смоделированные зрительные нейроны.

После этого активность начинает распространяться по виртуальной сети, построенной на основе реального коннектома дрозофилы. Затем активность определённых нейронов переводится в команды управления: движение вперёд, поворот или другие действия. Получается замкнутый цикл, в котором игра показывает изображение, цифровая нервная система реагирует на него, а полученная активность влияет на дальнейшее поведение персонажа.

Именно со стороны этот процесс выглядит так, будто мозг мухи действительно играет в DOOM. Однако говорить о полноценном понимании игры нельзя. Никто не доказал, что модель осознаёт происходящее на экране, распознаёт врагов или понимает правила игрового мира. Связь между активностью определённых нейронов и клавишами управления была задана разработчиками, поэтому систему правильнее рассматривать как необычный биологически вдохновлённый контроллер.

При этом сам эксперимент всё равно остаётся впечатляющим: реальная структура нервной системы живого организма используется для получения поведения в виртуальной среде. Несколько лет назад подобное выглядело бы скорее как сюжет научной фантастики.

Как муха начала торговать биткоином

После эксперимента с DOOM разработчики решили пойти ещё дальше и создали проект, в котором цифровая нервная система получает информацию о движении стоимости биткоина. Модели показывают график, после чего активность её нейронов используется для принятия одного из нескольких решений: купить актив, продать его или ничего не делать.

В систему также добавили примитивный механизм вознаграждения, при котором успешные действия усиливаются положительным сигналом, а неудачные получают отрицательное подкрепление. Таким образом разработчики попытались проверить, сможет ли сеть, построенная на основе реальной нервной системы, каким-либо образом адаптироваться к финансовым данным. Именно отсюда появились громкие заголовки о «мухе, которая торгует биткоином».

Разумеется, превращать такой эксперимент в настоящую инвестиционную стратегию никто не предлагает. Нет доказательств того, что цифровая модель способна предсказывать курс криптовалют или стабильно зарабатывать на рынке. Эксперимент интересен совсем другим: он показывает, что одну и ту же цифровую нервную систему можно подключать к совершенно разным типам внешней информации.

Сначала это изображение из компьютерной игры, затем график финансового рынка, а в будущем подобных сценариев может появиться значительно больше. Исследователям становится интересно не столько то, сможет ли «муха заработать на биткоине», сколько то, каким образом структурированная биологическая сеть будет реагировать на непривычные для неё сигналы.

Зачем учёным вообще нужен цифровой мозг мухи

DOOM и биткоин сделали новость вирусной, однако создавался коннектом совсем не ради развлечения. Главная задача проекта — лучше понять фундаментальные принципы работы нервной системы. Муха способна видеть окружающий мир, чувствовать запахи и вкусы, летать, ходить, искать пищу, избегать угроз и взаимодействовать с другими особями. Всё это обеспечивается сравнительно небольшой нервной системой, состоящей из сотен тысяч нейронов, а не миллиардов.

Благодаря этому дрозофила становится удобным объектом для изучения связи между отдельными клетками и реальным поведением. Учёные могут попытаться определить, какие нейронные цепочки отвечают за определённые реакции и каким образом сенсорная информация превращается в движение.

Мозг человека содержит около 86 миллиардов нейронов, поэтому построить настолько же подробную карту всех его соединений сегодня практически невозможно. Именно поэтому исследователи начинают с более простых организмов. На примере мухи можно отрабатывать технологии микроскопии, обработки данных, искусственного интеллекта и моделирования нервной системы.

Эти методы затем могут применяться к более сложным животным, включая мышей и другие модельные организмы. Чем лучше учёные понимают небольшие нервные системы, тем ближе они подходят к пониманию общих принципов работы мозга. В будущем такие исследования могут оказаться полезными для изучения памяти, поведения, принятия решений и различных нарушений работы нервной системы.

Можно ли создать живую муху внутри компьютера

Пока до полноценной цифровой мухи ещё далеко. Даже максимально точная карта нейронных соединений не содержит всей информации, необходимой для полного моделирования живого организма. Для этого пришлось бы воспроизводить свойства каждой клетки, работу синапсов, химические процессы, органы чувств, мышцы, внутренние органы и взаимодействие всего тела с окружающей средой.

Кроме того, необходимо учитывать изменение состояния нейронов во времени и огромное количество биологических процессов, которые обычный коннектом просто не показывает. Поэтому нынешняя цифровая модель является важной основой, но не полной копией живого существа.

Тем не менее опубликованная карта сильно меняет возможности исследователей и разработчиков. Раньше компьютерные нейронные сети чаще создавались искусственно, а их структура определялась математическими моделями и задачами, которые ставили перед системой. Теперь появилась возможность брать архитектуру, которая действительно существует в природе, и экспериментировать с ней внутри виртуальной среды.

Именно поэтому проекты вроде DOOMFLY вызывают такой интерес. Они позволяют буквально наблюдать, что произойдёт, если реальную схему нервной системы подключить к совершенно непривычному для неё цифровому миру. И хотя это ещё далеко не полноценная виртуальная жизнь, направление развития технологии становится всё более интересным.

Почему новость об оцифрованном мозге мухи стала вирусной

Научная работа по созданию полного коннектома сама по себе достаточно сложна для массовой аудитории. Слова вроде «синаптические контакты», «коннектомика» и «центральная нервная система Drosophila melanogaster» сложно превратить в вирусную новость. Всё изменилось в тот момент, когда цифровую модель начали подключать к знакомым людям вещам.

Фраза «муха играет в DOOM» мгновенно понятна даже человеку, который никогда не интересовался нейробиологией. То же самое произошло с экспериментом по торговле биткоином. Именно необычное сочетание серьёзной науки и почти абсурдных сценариев сделало историю настолько популярной.

При этом за интернет-мемами скрывается действительно важное научное достижение. Исследователи получили чрезвычайно подробную цифровую схему нервной системы целого животного, которую можно изучать, моделировать и подключать к виртуальным системам. Пока это не цифровое сознание и не перенос личности в компьютер, но технологически подобные проекты постепенно приближают науку к намного более сложным моделям мозга.

Сегодня речь идёт о мухе и компьютерной игре, а через годы подобные методы могут использоваться для изучения гораздо более сложных нервных систем. До человеческого мозга в компьютере всё ещё очень далеко, но первые полноценные цифровые карты биологических нервных систем уже стали реальностью.

Читайте также на LeaksMedia: В США сделали робота, который сам находит вену и берёт кровь.