Як сур’ёзнае даследаванне мозгу мушкі ператварылася ў інтэрнэт-мем — мадэль яе мозгу навучылі гуляць у Doom і гандляваць крыптавалютай
Навукоўцы ўпершыню апублікавалі поўную карту цэнтральнай нервовай сістэмы дарослай пладовай мушкі, спадзеючыся зрабіць крок да разумення прыроды неўралагічных хвароб чалавека. Аднак адкрыты доступ да даных прывёў да нечаканага выніку: лічбавую мадэль пачалі выкарыстоўваць для выканання нестандартных задач.
Мозг пладовай мушкі меншы за макавае зерне, але здольны выконваць нетрывіяльныя задачы, якія здаюцца цяжкімі нават чалавеку, напрыклад, правільна прыпаркавацца
У кастрычніку 2024 года даследчыкі з Прынстанскага ўніверсітэта сумесна з кансорцыумам FlyWire прадставілі ў часопісе Nature схему мозгу самкі Drosophila melanogaster, якая налічвала амаль 140 000 нейронаў і больш за 50 мільёнаў сінапсаў.
У верасні 2026 года каманда з HHMI Janelia Research Campus, Кембрыджскага ўніверсітэта і Google Research апублікавала ў выданні Cell поўны канектом мужчынскай асобіны. Гэтая мадэль пад назвай MaleCNS ахапіла не толькі цэнтральны мозг, але і брушны нервовы ланцужок — аналаг спіннога мозгу хрыбетных. База дадзеных змяшчае звесткі пра 166 700 нейронаў і каля 125 мільёнаў сінаптычных сувязяў.
Мозг пладовай мушкі мае памеры каля 750 на 350 і 250 мікрон, што менш за макавае зерне, аднак ён змяшчае каля 150 метраў нейронных сувязяў таўшчынёй ад 50 да 100 нанаметраў. Каб стварыць яго дакладную лічбавую карту, навукоўцы выкарысталі метад серыйнай электроннай мікраскапіі. Біялагічны ўзор ператварылі ў цвёрды блок і нарэзалі алмазнымі нажамі на больш чым 7 000 ультратонкіх слаёў таўшчынёй каля 40 нанаметраў кожны. Кожны зрэз быў адсканаваны, у выніку чаго даследчыкі атрымалі 21 мільён відарысаў з агульным аб'ёмам звыш 40 трыльёнаў пікселяў.
Алічбаваная нервовая сістэма мухі. Рознакаляровымі плямамі пазначаны розныя кластары нейронаў, якія адказваюць за рухі, зрок і рэакцыі насякомага. Менавіта гэты граф навукоўцы выклалі ў адкрыты доступ, пасля чаго праграмісты пачалі падключаць яго да відэагульняў і біржавых робатаў. Фота: HHMI Janelia / Google Research / Cell Press
Для аб'яднання двухмерных здымкаў у трохмерную мадэль выкарыстоўваліся алгарытмы штучнага інтэлекту, у прыватнасці нейрасеткавая тэхналогія Flood-Filling Networks ад Google.
Праграма аўтаматычна вызначала межы клетак, аднак для праверкі і выпраўлення памылак камп'ютарнага распазнавання спатрэбіўся ўдзел людзей. Калектыўныя намаганні тысяч валанцёраў і навукоўцаў склалі прыкладна 33 чалавека-гады ручной праверкі. Паводле ацэнак даследчыкаў, без выкарыстання штучнага інтэлекту такі працэс мадэлявання заняў бы каля 50 000 чалавека-гадоў.
Нейроны ў мозгу і брушным нервовым шнуры (аналогу спіннога мозгу) самца пладовай мушкі. Менавіта сувязь галаўнога мозгу з гэтым шнуром дазваляе лічбавай мадэлі не проста «бачыць» гульню, але і перадаваць каманды на віртуальныя кнопкі кіравання. Фота: HHMI Janelia / Google Research / Cell Press
Адметнасцю мадэлі MaleCNS стала менавіта інтэграцыя брушнога нервовага ланцужка, што ўпершыню дазволіла прасачыць шляхі ад сэнсарных рэцэптараў да маторных нейронаў, якія непасрэдна кіруюць рухам насякомага. Таксама даследчыкі выявілі і нанеслі на карту спецыфічныя палавыя дыморфныя нейроны. Гэтыя клеткі адрозніваюцца ў самцоў і самак, адказваючы за розныя патэрны паводзін падчас спаравання і апрацоўкі сэнсарных сігналаў.
Прыклад палавых адрозненняў у будове мозгу мушкі (палавы дымарфізм). Навукоўцы параўналі адзін і той жа нейрон AOTU008 у самца (зялёны колер) і самкі (пурпурны). Дзякуючы штучнаму інтэлекту ўдалося заўважыць, што нейрон самца мае два дадатковыя адгалінаванні (пазначаны стрэлкамі), якія ўплываюць на яго паводзіны. Ілюстрацыя: HHMI Janelia / Google Research / Cell Press
Як запусціць нервовую сістэму ў праграмным асяроддзі
Канектом не з'яўляецца паўнавартаснай сімуляцыяй жывога розуму. Гэта статычная база даных, дакладная «схема электраправодкі», якая паказвае толькі тое, якія нейроны злучаныя паміж сабой і колькі сінапсаў утвараюць гэтыя сувязі.
У лічбавай карце адсутнічаюць звесткі аб бягучай электрычнай актыўнасці клетак, канцэнтрацыі хімічных рэчываў, наяўнасці нейрамадулятараў (такіх як дафамін або сератанін), стане гліі і агульным гарманальным фоне.
Каб гэтая статычная схема пачала функцыянаваць у праграмным асяроддзі, кожны нейрон пераўтвараецца ў спрошчаную матэматычную мадэль. Найчасцей для гэтага выкарыстоўваецца мадэль leaky integrate-and-fire (інтэгратар з уцечкай). Віртуальны нейрон назапашвае ўваходныя сігналы ад суседніх клетак, і пры дасягненні пэўнага парогавага значэння генеруе ўласны імпульс, перадаючы яго далей па ланцужку, пасля чаго вяртаецца ў зыходны стан.
Для ўзаемадзеяння сімуляцыі з вонкавым светам — відэагульнёй, гандлёвым тэрміналам або тэкставым рэдактарам — распрацоўшчыкі ствараюць спецыяльныя праграмныя інтэрфейсы. Вонкавыя даныя (напрыклад, пікселі на экране) канвертуюцца ў штучныя сігналы і падаюцца на віртуальныя сэнсарныя нейроны мушкі (звычайна на глядзельныя або нюхальныя рэцэптары).
Далей імпульсы распаўсюджваюцца па сетцы строга згодна з біялагічнай картай сінаптычных сувязяў. На фінальным этапе іншы праграмны код фіксуе актыўнасць выхадных (маторных) нейронаў, якія ў рэальнай мушкі адказваюць за рух крылаў, лапак або хабатка, і перакладае гэтую актыўнасць у каманды праграмы: націск клавішы на клавіятуры, рух у гульні або выбар гандлёвай аперацыі.
Сама мадэль пры гэтым не разумее кантэксту і, у адрозненне ад жывога мозгу, не валодае здольнасцю да натуральнай нейрапластычнасці і навучання.
Ад Minecraft да гандлю на крыптабіржы
Наяўнасць адкрытага інтэрактыўнага датасэта дазволіла праграмістам пачаць уласныя эксперыменты. Ужо 7 верасня ютубер Ro0oney апублікаваў відэа, дзе змадэляваная сетка кіравала персанажам у гульні Minecraft.
На наступны дзень іншы блогер выпусціў ролік, які паказвае як мадэль гуляе ў рытм-гульню Beat Saber. Ён сабраў 22 мільёны праглядаў і спарадзіў інтэрнэт-мем, у якім віртуальнай мушцы даручалі самыя розныя чалавечыя задачы.
У наступныя дні з'явіліся дзясяткі новых праектаў. Адзін прадэманстраваў, як сімуляцыя паралельна паркуе аўтамабіль у сімулятары ваджэння. У праекце пад назвай DOOM-x-Fly візуальныя дадзеныя з культавага шутара трансляваліся ў мадэль зроку насякомага, а выхадны пласт праграмы аналізаваў актыўнасць тысяч нейронаў для націскання гульнявых клавіш.
Інжынер пад нікам SpikeCalls пайшоў далей і звязаў сімуляцыю з фізічным светам: ён падключыў лічбавы мозг да камеры і чатырох матораў рэальнага беспілотніка, дзе глядзельныя сігналы наўпрост кіравалі цягай вінтоў.
Інжынер крыптабіржы Coinbase Алекс Вормут распрацаваў праект Stonkfly: ён ператварыў лічбавую копію мушкі ў дзённага трэйдара для гандлю валютнай парай BTC-USDC.
Праграма канвертуе стандартны свечны графік гістарычных каціровак у каляровы малюнак памерам 320x180 пікселяў і перадае гэтыя RGB-значэнні непасрэдна на фотарэцэптары віртуальнага мозгу, размеркаваўшы малюнак паміж левым і правым «вокам» мадэлі.
У рамках сімуляцыі мушцы даступныя тры дзеянні: купіць, прадаць або ўтрымліваць актыў. Базавы інтэрвал прыняцця рашэнняў («абдумвання») складае 500 мілісекунд, а рынкавыя даныя абнаўляюцца кожныя 60 секунд. За адну аперацыю алгарытм можа паставіць да 10 долараў, але не часцей за 24 разы на суткі.
Аўтар укараніў сістэму біялагічнага падмацавання: рост кошту партфеля імітуе дафамінавы выкід, які актывуе 15 спецыфічных клетак. І наадварот, фінансавыя страты або спісанне гандлёвых камісій актывуюць дзве клеткі агіды.
Пры гэтым алгарытм пазбаўлены магчымасці выкарыстоўваць крэдытныя плечы або гуляць на паніжэнне (шорт).
Код праекта Stonkfly выкладзены ў адкрыты доступ на GitHub для аперацыйных сістэм macOS і Linux. Для запуску ўласнага «нейра-трэйдара» патрабуецца 16 ГБ аператыўнай памяці, усталяваны Python 3.11 і кампілятар з падтрымкай C++ 17. Па змаўчанні сімуляцыя працуе ў тэставым рэжыме са стартавым віртуальным балансам у 100 долараў, аднак распрацоўшчык пакінуў інструкцыі для падключэння алгарытму да рэальнага рахунку.
Этычныя пытанні
Масавае выкарыстанне лічбавай мадэлі ў забаўляльных мэтах выклікала этычныя дыскусіі на пляцоўках кшталту Reddit. Карыстальнікі пачалі выказваць занепакоенасць магчымымі лічбавымі пакутамі змадэляванай істоты.
Узніклі пытанні наконт таго, ці адчувае віртуальная мушка стрэс або боль, калі яе прымушаюць бесперапынна апрацоўваць дадзеныя з відэагульняў або фінансавых рынкаў. Сітуацыю нават параўноўваюць з антыўтопіямі ўзроўню серыяла «Чорнае люстэрка» і канцэпцыяй «Матрыцы».
Нейрабіёлагі абвяргаюць магчымасць існавання свядомасці або здольнасці адчуваць у межах бягучай тэхналогіі.
Канектом з'яўляецца выключна статычнай картай сінаптычных сувязяў. Створаныя на яе аснове лічбавыя сімуляцыі выкарыстоўваюць спрошчаныя матэматычныя мадэлі нейронаў, якія не адлюстроўваюць усёй складанасці біялагічнага арганізма.
Канектом з'яўляецца выключна статычнай картай сінаптычных сувязяў — мушцы не баліць
У праграмным асяроддзі адсутнічаюць фізіялагічныя працэсы, якія забяспечваюць жыццядзейнасць і ўспрыманне: абмен рэчываў, гліяльныя клеткі, гарманальны фон і здольнасць да нейрапластычнасці.
Нягледзячы на тое, што жывыя пладовыя мушкі маюць болевыя рэцэптары і рэагуюць на негатыўныя раздражняльнікі, віртуальная мадэль пазбаўленая здольнасці адчуваць боль ці стомленасць.
«Дафамінавы выкід» у праектах накшталт Stonkfly з'яўляецца толькі матэматычнай зменнай у кодзе праграмы, а не рэальным хімічным рэчывам.
Рэальная навуковая каштоўнасць праектаў FlyWire і MaleCNS не звязаная з інтэрнэт-трэндамі. Паколькі пладовыя мушкі маюць каля 75% генаў, звязаных з хваробамі чалавека, дакладная карта іх мозгу дазволіць даследчыкам вывучаць механізмы развіцця такіх захворванняў, як хвароба Паркінсана або Альцгеймера, на ўзроўні асобных нейронных ланцужкоў.
Таксама структура канектома дапаможа ў распрацоўцы больш эфектыўных архітэктур для штучнага інтэлекту. Што датычыцца лічбавага мадэлявання мозгу чалавека, то з-за маштабаў (каля 86 мільярдаў нейронаў у параўнанні з 166 тысячамі ў мушкі) гэтая задача пакуль застаецца тэхналагічна недасяжнай.