Naukowcy stworzyli wyjątkową symulację, która pomoże zrozumieć, jak działa mózg. Jednak do ludzkiego jeszcze daleko – na razie mamy muszkę owocówkę.
Specjaliści z UC Berkley ukończyli prace nad wyjątkowym modelem mózgu muszki owocówki (Drosophila melanogaster). Te owady są malutkie, ale ich mózgi i tak stanowią nie lada wyzwanie: 139,255 neuronów tworzy 50 milionów połączeń. Wszystko udało się zebrać w przełomowej symulacji komputerowej.
Cały proces zajął sporej grupie naukowców z kilku uczelni aż 10 lat. Mapa powstała na podstawie 7 tysięcy cienkich „plasterków” mózgu owocówki, fotografowanych z użyciem mikroskopu elektronowego. Rozpoznawaniem komórek zajął się program komputerowy.
Zobacz: Mikroplastik dotarł do naszych mózgów. Jak walczyć z tym zagrożeniem?
Model nie ogranicza się do prezentacji fizycznej budowy centralnego układu nerwowego owada. Naukowcy odwzorowali także elementy działania mózgu owocówki. Symulacja prawidłowo przewiduje, które obwody zostaną aktywowane na skutek stymulacji zmysłów smaku i dotyku.
To kolejne zaskoczenie. Naukowcy nie byli pewni, czy konektom — mapa połączeń komórek nerwowych — umożliwi także przewidywanie, które komórki wezmą udział w procesie przetwarzania sygnału. Metoda okazała się skuteczna i otworzyła drzwi do dalszych badań nad działaniem mózgu. Co więcej, można ją uruchomić na zwykłym laptopie.
Poniższa animacja prezentuje symulację działania mózgu muszki w reakcji na kontakt z roztworem glukozy w wodzie. Bodziec smakowy prowadzi do wydłużenia ssawki owada, a następnie inicjuje odżywianie się. Symulacja, za którą stoi model maszynowego uczenia, jest zgodna z zachowaniem żywego osobnika.
Analogicznie udało się zasymulować odruch dbania o higienę, gdy czułki owada odebrały bodziec dotykowy. Muszki czyszczą czułki dzięki temu mechanizmowi.
Wcześniej ci sami naukowcy przygotowali modele jeszcze prostszych mózgów, w tym larwy owocówki (3016 neuronów). Jednak nie były tak dobre, jak obecny i z różnych powodów nie było możliwe opracowane symulacji. Po muszkach owocówkach na warsztat zostaną wzięte myszy – kolejne organizmy uwielbiane przez naukowców. Docelowo naukowcy będą dążyć oczywiście do symulacji mózgu człowieka, ale jeszcze długa droga przed nimi. Być może powtarzające się wzory pozwolą opracować zunifikowaną teorię mózgu.
Konektom i symulacja działania żywego organizmu in silico to niesamowite narzędzie w rękach naukowców i lekarzy. Mimo znacznego uprowadzenia działania cyfrowych komórek nerwowych i synaps symulacje dają wyjątkowy wgląd w działanie mózgu, które kieruje schematami interpretacji bodźców, uczenia się, odruchów i oczywiście zaburzeń psychicznych. Na pierwszy ogień pójdą prawdopodobnie nieprawidłowości spowodowane przez aberracje w połączeniach między komórkami nerwowymi, w tym epilepsja.
Ta praca ma też potencjał na polu maszynowego uczenia. W końcu symulacja to model sztucznej inteligencji, zbudowanej na wzór biologicznego układu komórek nerwowych. Aktualnie używane modele językowe SI wykorzystują inne koncepcje, ale odwzorowanie biologicznego układu komórek nerwowych daje ogromne nadzieje i na tym polu.
Źródło zdjęć: Tomasz Klejdysz / Shutterstock, FlyWire.ai
Źródło tekstu: UC Berkley, Nature
