Дигитален живот: Първият цифровизиран мозък оживя в компютърна симулация

В продължение на десетилетия развитието на компютърните системи върви по пътя на създаването на изкуствен интелект. Този подход включва писане на софтуерен код и използване на алгоритми, които се учат да решават проблемите от нулата. Успоредно с това обаче се наблюдава съвсем различна насока на изследване – емулация на целия мозък. Нейната същност не е в създаването на нов ум, а в детайлното сканиране и точното копиране на вече съществуващ биологичен мозък в цифрова среда.

Дълго време този процес оставаше само концепция, тъй като изискваше огромна изчислителна мощ и свръхпрецизни методи за сканиране на живите тъкани. Но наскоро изследователите от Eon Systems PBC за първи път успяха не само да стартират цифрово копие на мозъка на сложно същество на компютър, но и да накарат този цифров мозък да управлява виртуално тяло в среда с реалистични физически закони. Това същество е плодовата муха Дрозофила.

От статичната карта към динамичната система

Настоящото постижение се основава на проучване, публикувано в научното списание Nature през 2024 г. Екип от учени, ръководен от старши изследователя на Eon Филип Чиу, създава пълен компютърен модел на мозъка на възрастна дрозофила.

За целта те са използвали конектома – изчерпателна карта на всички невронни връзки в нервната система на насекомото. Тази карта е получена чрез сканиране на срезове от истинския мозък под електронен микроскоп. В резултат на това учените са получили точна схема на повече от 125 000 неврона и 50 милиона синаптични връзки. Освен това, използвайки техники за машинно обучение, изследователите са определили видовете невротрансмитери за всяка връзка – т.е. разбрали са кои неврони пренасят възбуждащи сигнали и кои – инхибиращи.

Този модел от 2024 г. работи с висока точност: той може да предвиди двигателните реакции на мухата в 95% от случаите. Системата обаче била изолирана. Мозъкът генерирал сигнали, невроните предавали импулси един на друг и се формирали команди за движение, но тези команди не отивали никъде. Дигиталният мозък не е имал тяло, което да контролира, и среда, на която да реагира.

Затварянето на сензомоторния цикъл

В своята нова научна работа експертите на Eon Systems решават проблема с липсата на тяло. Те са интегрирали готовия модел на мозъка на дрозофила в симулатора NeuroMechFly v2 – софтуерна среда, която работи с физичния енджин MuJoCo. В тази среда беше създадено виртуалното тяло на мухата, което има точни биомеханични характеристики: определено тегло на крайниците, параметри на триене в ставите и ограничения на подвижността. Самата среда имитира гравитацията и съпротивлението на повърхността.

Свързването на цифров мозък с виртуалното тяло за първи път даде възможност за затваряне на т.нар. сензомоторния цикъл в рамките на емулация на целия мозък. Процесът протича по следния начин:

1. Виртуалните сензори върху тялото на мухата улавят информацията за околната среда (напр. контакт на крака с дадена повърхност).
2. Тази информация се подава към цифрова невронна мрежа под формата на електрически сигнали.
3. Сигналът се разпространява по копирания биологичен конектом. Невроните се активират в същата последователност, в която биха се активирали при живото насекомо.
4. В резултат на обработката на сигнала мозъкът генерира двигателна команда и я изпраща към виртуалните мускули.
5. Физичен енджин изчислява това движение и виртуалната муха изпълнява действието въз основа на законите на физиката.

В резултат на това изследователите са регистрирали множество варианти на сложно поведение, които системата генерира самостоятелно, разчитайки единствено на вътрешната динамика на своите невронни вериги.

Принципната разлика спрямо съвременните невронни мрежи

За да осъзнаем значението на тази разработка, трябва да разберем по какво мозъчната емулация се различава от съвременните системи за изкуствен интелект, които също са в състояние да управляват виртуални герои или роботи.

Преди това други изследователски групи, включително подразделението DeepMind на DeepMind и Janelia Research Campus, също демонстрираха виртуални мухи, способни да се придвижват в симулация. Но те използваха метода на „обучение с подсилване“. В този случай разработчиците създават празна невронна мрежа, дават ѝ цел (например да се движи напред) и я оставят да извършва случайни движения. Когато виртуалният модел направи крачка и не падне, системата получава положителна оценка. Чрез милиони повторения алгоритъмът намира оптималния начин за движение на краката. Това е симулация на външно поведение с помощта на математиката.

Eon Systems работи по различен начин. Тя не е обучена да ходи в симулатор. Нейната цифрова структура е точно копие на същество, чиято нервна система вече е адаптирана за ходене в процеса на биологичната еволюция. В този случай учените са взели готова схема от връзки, подали са ѝ входящ сигнал и системата е започнала да работи така, както ѝ е диктувала структурата.

Досега най-успешните опити за реализиране на подобен подход бяха ограничени до изключително прости организми. Най-известният пример е проектът OpenWorm, в който учените емулират нервната система на кръглия червей Caenorhabditis elegans. Нервната система на този червей обаче се състои само от 302 неврона и поведенческият му репертоар е минимален. Преминаването от 302 неврона към 125 000 неврона на дрозофилата е значително увеличение на мащаба и сложността на системата.

Следващата стъпка: емулация на мозъка на бозайници

Успешното интегриране на мозъка на насекомо с виртуално тяло доказва, че самата концепция е осъществима. Сега основната цел на Eon Systems е да създаде пълна цифрова емулация на мозъка на мишка. В дългосрочен план това ще положи технологичната основа за емулация на човешкия мозък.

Обхватът на предстоящата работа е много по-голям от предишната. Мозъкът на мишката съдържа около 70 милиона неврона, което е 560 пъти повече от броя на невроните в Дрозофила. За да се реализира тази задача, не е достатъчно просто да се увеличи изчислителната мощност; трябва да се събере огромно количество нови данни.

В момента изследователският екип събира информация с помощта на два основни метода. Първият метод е експанзивна микроскопия. Учените третират мозъчната тъкан със специално химическо съединение, което я кара физически да увеличава размера си. Това позволява всяка отделна невронна връзка да бъде разгледана и записана под микроскоп с максимална прецизност, за да се създаде статична карта.

Вторият метод е калциева визуализация и измерване на електрическото напрежение в живата тъкан. Учените прекарват десетки хиляди часове, наблюдавайки как точно се активират невронните мрежи в мозъците на живите мишки по време на различни дейности. Тези данни са необходими, за да се разбере не само физическото разположение на връзките, но и динамиката на сигналите, които се движат по тях.

Ако дигиталното копие на конектома на мухата е в състояние успешно да управлява тялото в среда с физически закони, това означава, че фундаменталният подход е избран правилно. По-нататъшният преход към мозъка на мишката, а в бъдеще и към по-сложни структури, се явява въпрос единствено на точността на сканиране на данните и на количеството памет, необходимо за тяхната обработка.

Коментарите към статията не са малко. Прокрадва се идеята, че все пак сме успели да създадем Матрицата – тази дрозофила е вече в нея.