Российско-британским коллективом ученых
разработан цифровой двойник головастика, в котором воссозданы как структура и
функции нервной системы этого позвоночного организма, так и строение его тела.
Детальная биомеханическая 3D-модель, управляемая цифровым мозгом,
взаимодействует с виртуальной физической средой, позволяет наблюдать поведение
объекта и предоставляет уникальные возможности для нейробиологических
исследований.
Статья опубликована в журнале PLOS Computational Biology.
«Чего
не могу воссоздать, того не понимаю». Ричард Фейнман
К искусственному разуму, не уступающему
человеческому и осознающему себя, есть как минимум два основных пути: изобрести
его самим или скопировать у природы. Первый путь пока не привел к желанной
цели, зато вызвал бурное развитие компьютерных технологий и различных
направлений в области искусственного интеллекта, от игры в шахматы и экспертных
систем до человекоподобных роботов. Многие разработки прочно вошли в
повседневную жизнь людей в виде программного обеспечения различных гаджетов и
способны общаться с человеком на естественном языке.
Второй путь — исследовать и воспроизвести работу
реального биологического мозга, если это окажется принципиально возможным.
Кстати, у человека он состоит, по оценкам, примерно из 86 миллиардов нейронов.
В качестве основной цели наиболее сложного и амбициозного проекта в этой
области, Human Brain Project (проект «Мозг человека»), стартовавшего в 2013
году, планировалось за десять лет оцифровать и смоделировать на клеточном
уровне мозг человека, а в качестве тренировочной задачи и промежуточного
результата сделать то же самое для мозга крысы (200 миллионов нейронов). Однако
поставленная научная проблема оказалось значительно сложнее, чем
предполагалось, и к настоящему времени в виде модели функционирует лишь малая
часть мозга, поэтому весьма затруднительно определить, правильно ли она
работает. Еще один международный проект, OpenWorm, начатый в 2011 году, был направлен на выяснение
того, возможно ли в принципе воссоздать структуру и функции нервной системы
целого живого существа настолько хорошо, чтобы виртуальный организм вел себя
как настоящий. В качестве объекта моделирования был выбран один из наиболее простых многоклеточных —
микроскопический червь Caenorhabditis elegans, у которого всего 302 нейрона.
Значительный вклад в проект OpenWorm внесла научно-исследовательская группа под
руководством доктора физико-математических наук Андрея Юрьевича Пальянова из
Института систем информатики им. А. П. Ершова СО РАН, начавшего работать над
этой задачей еще в 2009 году.
Упомянутые проекты соответствуют двум крайним точкам
на шкале разума — от простейшего до предельно сложного, человеческого, который
пока не удается ни полностью понять, ни смоделировать. Что же является золотой
серединой, которая позволит добиться значимых результатов уже в наши дни? В
мозге даже самых простых позвоночных организмов — более четырех миллионов нейронов,
моделирование которых тоже не представляется такой уж простой задачей. Однако
совсем необязательно, чтобы объектом изучения и моделирования был взрослый
организм. Весьма удачным выбором представляется головастик Xenopus, которого
уже несколько десятков лет изучает профессор зоологии Бристольского
университета Алан М. Робертс с коллегами. В мозге взрослой лягушки более 16
миллионов нейронов, а у двухдневного головастика их всего лишь несколько тысяч,
но с каждым последующим днем их число растет. Возможности сенсорной системы в
первые дни довольно ограничены — в основном это механосенсорика и способность
воспринимать освещенность, однако даже на этой стадии развития головастик
способен реагировать на внешние воздействия и избегать потенциальных
опасностей. Но чтобы смоделировать это, одной лишь нервной системы
недостаточно: организму необходимо виртуальное тело и среда обитания с
действующими физическими законами.
Совместными усилиями группы Алана Робертса и российских
ученых — директора Института систем информатики им. А. П. Ершова СО РАН,
заведующего лабораторией системной динамики А. Ю. Пальянова и главного научного
сотрудника лаборатории нейронных сетей Института математических проблем
биологии РАН доктора физико-математических наук Романа Матвеевича Борисюка —
эту задачу удалось успешно решить. Для этого Андреем Пальяновым была создана
специализированная программная система Sibernetic-VT и на ее основе разработана
биомеханическая модель тела головастика, взаимодействующая с виртуальной
трехмерной окружающей средой, в данном случае — с водой, в которой он плавает.
Это позволяет, с одной стороны, снабжать нервную систему сенсорными сигналами,
а с другой — наблюдать результаты ее работы, выражающиеся также в поведении
объекта. «Созданная модель, объединившая “мозг” и “тело” головастика, способна
в том числе продемонстрировать реакцию его цифрового двойника на прикосновение,
что в природе является сигналом о потенциальной опасности, близости хищника
(поэтому необходимо незамедлительно уплывать), — рассказывает Андрей Пальянов.
— На данной стадии развития в нервной системе имеется более 2 300 нейронов,
представленных двенадцатью основными типами».
Цифровой двойник
головастика в действии — плавание, вызванное прикосновением
Созданная модель головастика детально воспроизводит
основные особенности строения его тела: форму, размеры, эластичность и
плотность различных тканей организма, структуру мышц и их соединения с нервными
клетками, управляющими движениями. Жидкость, окружающая головастика,
представлена миллионами частиц, для которых рассчитываются координаты,
скорость, плотность и действующие на них силы: вязкости, поверхностного
натяжения, давления, гравитации, а также силы, возникающие при столкновениях со
статическими и движущимися объектами. Подобные задачи требуют значительных
вычислительных ресурсов, которые обеспечиваются посредством параллельных
вычислений на графических картах (GPU) — по сути, настольных суперкомпьютерах с
более чем 10 тысячами процессоров и производительностью более 30 терафлопс
(триллионов операций с числами с плавающей запятой в секунду).
«Значительной составляющей успеха данной работы
является опыт, полученный в предшествующей работе по моделированию C. elegans,
а созданная для решения этой задачи программная система Sibernetic используется
и развивается до сих пор. Нематоду мы делали с нуля, и это заняло десять лет.
Новый проект с намного более сложным организмом начался в конце 2019-го, и за
два года мы продвинулись гораздо дальше. Еще один фактор, существенно
ускоривший работу, — ощутимо возросшая производительность современных
вычислительных систем. Одно из направлений развития системы Sibernetic —
распараллеливание расчетов на множестве видеокарт одновременно», — говорит
Андрей Пальянов.
Конечно, головастик лягушки в начальной стадии
развития — один из простейших примеров позвоночных. Однако именно такой
организм является удачной отправной точкой для последующего усложнения моделей,
которые, с одной стороны, будут основаны на уже имеющейся, а с другой —
позволят учесть изменения, связанные с развитием организма, включая как его
нервную систему, так и биомеханическую модель тела с высоким уровнем
детализации. Новая разработка является мощным инструментом для решения задач
фундаментальной и вычислительной нейробиологии и открывает широкие перспективы
дальнейшего изучения и моделирования этого и других организмов.
Глеб Сегеда, «Наука в Сибири»