Учёные оцифровали мозг мухи. Через несколько дней она уже играла в Doom и собирала кубик Рубика

Как научный проект, над которым работали около десяти лет, за несколько дней превратился в главный технологический мем недели — и что эта история говорит о распространении новых технологий.

За последнюю неделю у интернета появился новый герой — цифровая мушка-дрозофила.

Сначала её подключили к Doom. После этого разработчики показали, как симуляция на основе мозга мухи собирает кубик Рубика и рисует буквы для собственного шрифта.

На первый взгляд это выглядит как очередная серия громких AI-демонстраций. Но в основе происходящего находится реальный научный проект: исследователи действительно создали полную карту мозга и центральной нервной системы взрослой дрозофилы.

А затем опубликовали данные — и интернет немедленно начал проверять, на что способен мозг мухи за пределами лаборатории.

Проект возглавили исследователи HHMI Janelia при участии Google Research и других научных команд.

Им удалось создать полную карту мозга и центральной нервной системы взрослого самца дрозофилы. В неё вошли более 166 тысяч нейронов и около 125 миллионов синаптических контактов.

Это крупнейшая полная карта мозга по количеству нейронов на сегодняшний день. Работа стала результатом примерно десяти лет сотрудничества, а её результаты были опубликованы в научном журнале Cell.

Такая карта называется коннектомом. Она показывает, из каких нейронов состоит нервная система и как именно эти нейроны соединены между собой.

Коннектом можно представить как невероятно подробную схему проводки. Мы видим компоненты системы и связи между ними, но одной схемы ещё недостаточно, чтобы полностью воспроизвести все процессы живого мозга.

Дрозофила используется в научных исследованиях уже больше века. Она быстро размножается, обладает достаточно сложным поведением, но её нервная система несравнимо компактнее человеческой.

Исследования этих насекомых помогли совершить множество открытий в генетике и неоднократно становились основой работ, отмеченных Нобелевскими премиями. Теперь дрозофила становится одной из главных моделей для изучения мозга.

Человеческий мозг содержит около 86 миллиардов нейронов, поэтому построить его полную карту с помощью современных технологий пока невозможно. У дрозофилы нейронов значительно меньше, но их уже достаточно для зрения, навигации, поиска пищи, выбора партнёра и других форм поведения.

Если понять, как эта относительно небольшая система превращает внешние сигналы в действия, можно приблизиться к пониманию общих принципов работы более сложных мозгов.

Для создания карты мозг и центральную нервную систему мухи разделили на множество тончайших срезов. Каждый из них сфотографировали при помощи электронного микроскопа.

В результате исследователи получили миллионы двумерных изображений нервной ткани. Компьютеры и AI-инструменты помогли объединить их в трёхмерные структуры и определить, какие участки принадлежат отдельным нейронам.

После автоматической обработки карту проверяли и исправляли специалисты. AI здесь использовался не для того, чтобы «сгенерировать мозг», а для реконструкции реальной биологической структуры.

В опубликованную модель вошёл не только мозг, но и вентральная нервная цепочка — приблизительный аналог спинного мозга у позвоночных. Благодаря этому можно проследить путь от зрительных, слуховых и обонятельных сигналов до нейронов, управляющих движением.

Именно эта возможность позже позволила разработчикам подключить коннектом к видеоиграм.

Практически сразу после публикации MaleCNS v1.0 разработчики начали подключать симуляции на основе коннектома к виртуальным средам.

Одним из первых заметных экспериментов стал DOOMFLY, созданный Алексом Вормутом. В нём каждый кадр из игрового мира преобразуется в сигналы для смоделированных зрительных нейронов мухи.

Активность распространяется по реконструированной нейронной сети, а сигналы определённых выходных нейронов переводятся в команды персонажу: движение, повороты и стрельбу.

Когда персонаж получает урон, система стимулирует две дофаминовые клетки PPL101. Это используется как экспериментальный механизм отрицательной обратной связи.

При этом муху подключили не к обычной сюжетной кампании. Эксперимент проходит на специальной арене, созданной на движке Doom. Контролируемая среда позволяет наблюдать за реакциями модели и проверять, меняется ли её поведение со временем.

Код DOOMFLY опубликован на GitHub, поэтому устройство эксперимента можно изучить самостоятельно.

Судя по открытому коду DOOMFLY, коннектом здесь используется не как красивая визуализация и не как случайный генератор команд.

Кадры игры поступают на несколько тысяч виртуальных фоторецепторов. Затем сигналы проходят через полную модель, включающую 166 700 нейронов и более 25 миллионов направленных связей.

Отдельного алгоритма, который распознаёт противников, выбирает маршрут, целится или играет вместо мухи, в этой схеме нет. Действия действительно определяются активностью нейронной симуляции, построенной на основе реального коннектома.

Но коннектом не запускается сам по себе. Разработчики должны выбрать математическую модель работы нейронов, определить способ преобразования пикселей в сигналы и связать активность выходных нейронов с кнопками управления.

Сейчас перед нами настоящий замкнутый нейронный контур, управляющий персонажем, но ещё не полноценный игрок, понимающий цели Doom.

На Doom эксперименты не закончились.

Разработчик Ник Уолтон показал видео, где симуляция на основе коннектома дрозофилы собирает кубик Рубика.

Подробного технического описания этого эксперимента пока нет, поэтому по одному ролику нельзя определить, как именно проходило обучение и какую систему вознаграждения использовал автор.

Но появление множества похожих проектов показывает, что сам подход воспроизводим: реальные связи коннектома используются как основа нейронного контроллера, а разработчики меняют окружающую среду, входные сигналы и доступные действия.

Ещё один автор под ником IGNIS продемонстрировал, как симуляцию нервной системы дрозофилы можно использовать для рисования букв.

Изображение символа подаётся на виртуальную зрительную систему, после чего полученная нейронная активность переводится в траекторию движения. Повторив процесс для разных символов, автор создал целый шрифт.

Мозг мухи не знает, что такое буква или кубик Рубика. Но его можно поместить в искусственную среду, подать информацию через сенсорные нейроны и посмотреть, какое поведение возникнет на выходе.

Оригинальная публикация Google Research — серьёзный научный материал с описанием нейронов, методов реконструкции и потенциальных применений в биологии.

Но массовой история стала только после появления мухи в Doom, задаче по сборке кубика Рубика и десяткам других экспериментов.

Причина довольно простая: человеку сложно эмоционально отреагировать на фразу «125 миллионов синаптических контактов». Зато муху, которая пытается играть в знакомую игру, можно понять за несколько секунд.

У истории есть идеальный герой, сильный контраст и почти бесконечное пространство для продолжений. Крошечный мозг сталкивают с человеческими задачами, а каждый новый разработчик может придумать следующий эксперимент.

В результате научный проект превратился в формат:

«Мы подключили мозг мухи к чему-то новому — смотрите, что произошло».

Это практически готовый сериал, в котором интернет самостоятельно создаёт следующие эпизоды.

Историю уже подхватило и русскоязычное технологическое сообщество. Например, о цифровой дрозофиле написал Михаил Малышев, автор Telegram-канала «Технозаметки Малышева». Теперь она умеет играть в тетрис.

Дрозофила здесь не конечная точка, а первый достаточно сложный организм, нервную систему которого удалось превратить в подробную и доступную для экспериментов цифровую карту.

Исследователи уже работают с более сложными организмами. Один из следующих этапов — полная карта мозга личинки рыбки данио. Это позвоночное животное, но в раннем возрасте оно остаётся достаточно маленьким и прозрачным, чтобы учёные могли одновременно изучать структуру мозга и наблюдать активность нейронов.

Также продолжаются проекты по картированию отдельных участков мозга мышей.

Переход от мухи к человеку остаётся огромным. В человеческом мозге около 86 миллиардов нейронов, а одного списка соединений всё равно будет недостаточно для полного воспроизведения его работы.

Но направление уже видно: исследователи постепенно объединяют структуру мозга, электрическую активность, молекулярные данные и механизмы обучения.

Я смотрю на происходящее не только как человек, интересующийся AI, но и как фаундер собственного AI-сервиса.

Технологический прорыв сам по себе ещё не гарантирует массового внимания. Между сложной технологией и обычным человеком должен появиться понятный интерфейс.

Исследователи создали карту из 166 тысяч нейронов и 125 миллионов контактов. Но интернету понадобилась одна мушка перед экраном с Doom, чтобы почувствовать масштаб произошедшего.

Развивая Braily, я постоянно наблюдаю похожую картину. Пользователям редко интересны архитектура модели, количество параметров и технические бенчмарки сами по себе. Интерес появляется, когда технологию можно превратить в понятный результат: изображение, видео, историю или эксперимент, которым хочется поделиться.

В случае с дрозофилой таким интерфейсом стали игры и мемы. Они не обесценили научную работу — наоборот, привели к ней людей, которые никогда не стали бы самостоятельно читать исследование по коннектомике.

Ещё несколько дней назад MaleCNS v1.0 был научным датасетом для нейробиологов. После публикации он почти мгновенно превратился в открытую платформу для экспериментов.

Возможно, главный урок этой истории заключается именно в этом: иногда лучший способ показать сложную технологию — открыть к ней доступ и позволить людям делать немного странные вещи.

А пока остаётся один вопрос: к чему интернет подключит мозг мухи следующим?