Стенфордські вчені створили «цифрового двійника» мозку миші. Подібно до того, як пілоти використовують симулятори польотів, щоб безпечно відпрацьовувати складні маневри, вчені незабаром можуть провести експерименти з дуже реалістичною симуляцією мозку миші. У новому дослідженні дослідники з Stanford Medicine та їхні співробітники розробили модель штучного інтелекту для створення «цифрового двійника» зорової кори головного мозку миші, області мозку, відповідальної за обробку візуальної інформації.

Цей цифровий близнюк був навчений на обширних наборах даних нейронної активності, записаних від справжніх мишей, коли вони переглядали відеокліпи. Після навчання він міг точно передбачити, як десятки тисяч нейронів реагуватимуть на нові зображення та відео. Цифрові близнюки можуть зробити вивчення внутрішньої роботи мозку легшим і ефективнішим.

«Якщо ви побудуєте модель мозку, і вона буде дуже точною, це означає, що ви зможете проводити набагато більше експериментів», — сказав Андреас Толіас, доктор філософії, професор офтальмології Стенфордського університету медицини та старший автор дослідження, опублікованого 10 квітня в Nature. «Ті, які є найбільш перспективними, ви можете перевірити в реальному мозку».

Провідним автором дослідження є Ерік Ван, доктор філософії, студент медичного коледжу Бейлора.

На відміну від попередніх моделей штучного інтелекту зорової кори, які могли симулювати реакцію мозку лише на тип стимулів, які вони бачили в тренувальних даних, нова модель може передбачити реакцію мозку на широкий спектр нових візуальних даних. Він може навіть припустити анатомічні особливості кожного нейрона.

Нова модель є прикладом базової моделі, відносно нового класу моделей штучного інтелекту, здатних навчатися на основі великих наборів даних, а потім застосовувати ці знання до нових завдань і нових типів даних — або те, що дослідники називають «узагальненням за межами навчального розподілу».

«Багато в чому зародком інтелекту є здатність чітко узагальнювати», — сказав Толіас. «Кінцева мета — святий Грааль — це узагальнити сценарії за межами вашого навчального розподілу».

Фільми про миші

Щоб навчити нову модель штучного інтелекту, дослідники спочатку записали мозкову активність справжніх мишей під час перегляду фільмів — фільмів, створених для людей. Плівки в ідеалі мали б наближатися до того, що миші могли бачити в природних умовах.

«Дуже важко зробити зразок реалістичного фільму для мишей, тому що ніхто не знімає голлівудські фільми для мишей», — сказав Толіас. Але бойовики підійшли досить близько.

Миші мають зір із низькою роздільною здатністю — подібний до нашого периферичного зору — тобто вони в основному бачать рух, а не деталі чи колір. «Миші люблять рух, який сильно активує їхню зорову систему, тому ми показали їм фільми, у яких багато дії», — сказав Толіас.

Протягом багатьох коротких сеансів перегляду дослідники зафіксували понад 900 хвилин мозкової активності восьми мишей, які переглядали кліпи гостросюжетних фільмів, таких як «Божевільний Макс». За рухами очей і поведінкою стежили камери.

Дослідники використовували агреговані дані для навчання основної моделі, яку потім можна було налаштувати на цифрового двійника будь-якої окремої миші за допомогою невеликого додаткового навчання.

Точні прогнози

Ці цифрові близнюки змогли точно симулювати нейронну активність своїх біологічних аналогів у відповідь на різноманітні нові візуальні стимули, включаючи відео та статичні зображення. Велика кількість агрегованих навчальних даних була ключем до успіху цифрових близнюків, сказав Толіас. «Вони були вражаюче точними, тому що їх навчали на таких великих наборах даних».

Хоча нові моделі навчаються лише нейронній активності, вони можуть узагальнюватися на інші типи даних. Цифровий близнюк однієї конкретної миші зміг передбачити анатомічне розташування та тип клітин тисяч нейронів у зоровій корі, а також зв’язки між цими нейронами.

Дослідники перевірили ці прогнози на основі електронно-мікроскопічного зображення зорової кори головного мозку цієї миші, яке було частиною більшого проекту з безпрецедентної детальності картографування структури та функції зорової кори головного мозку миші. Результати цього проекту, відомого як MICrONS, були опубліковані одночасно в Nature.

Відкриття чорної скриньки

Оскільки цифровий близнюк може функціонувати набагато більше, ніж миша, вчені можуть проводити практично необмежену кількість експериментів на фактично одній і тій самій тварині. Експерименти, які триватимуть роки, можуть бути завершені за години, і мільйони експериментів можуть проводитися одночасно, прискорюючи дослідження того, як мозок обробляє інформацію та принципів інтелекту.

«Ми намагаємося, так би мовити, відкрити чорну скриньку, щоб зрозуміти мозок на рівні окремих нейронів або популяцій нейронів і те, як вони працюють разом, щоб кодувати інформацію», — сказав Толіас.

Фактично, нові моделі вже дають нові знання. В іншому пов’язаному дослідженні, також одночасно опублікованому в Nature, дослідники використовували цифрового близнюка, щоб з’ясувати, як нейрони в зоровій корі вибирають інші нейрони для формування зв’язків. Вчені знали, що подібні нейрони мають тенденцію утворювати зв’язки, як люди, які дружать. Цифровий двійник показав, які подібності мають найбільше значення. Нейрони воліють з’єднуватися з нейронами, які реагують на той самий стимул — наприклад, синій колір — ніж нейрони, які реагують на ту саму область візуального простору.

«Це як хтось вибирає друзів на основі того, що їм подобається, а не на основі того, де вони знаходяться», — сказав Толіас. «Ми дізналися це більш точне правило того, як влаштований мозок».

Дослідники планують поширити своє моделювання на інші області мозку та тварин, включаючи приматів, з більш просунутими когнітивними можливостями.

«Згодом я вірю, що стане можливим побудувати цифрових двійників принаймні частин людського мозку», — сказав Толіас. «Це лише верхівка айсберга».

portaltele.com.ua