Podobne ako cvičia začínajúci piloti rôzne manévre na leteckom simulátore, by mohli byť vedci čoskoro schopní vykonávať experimenty na realistickom simulátore mozgu.
Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphotos.com. Autor: Muhammad Farhad
V novej štúdii použili vedci zo Stanford Medicine model umelej inteligencie na vytvorenie „digitálneho dvojčaťa“ časti mozgu myši, ktoré spracováva vizuálne informácie.
Digitálne dvojča bolo trénované na veľkých súboroch údajov mozgovej aktivity zozbieraných zo zrakovej kôry mozgov skutočných myší pri sledovaní filmových klipov. Potom systém dokázal predpovedať reakciu desiatok tisíc neurónov na nové videá a obrázky. Digitálne dvojčatá by mohli týmto spôsobom uľahčiť a zefektívniť štúdium vnútorného fungovania mozgu.
Nový model AI umožní viac experimentov
„Ak vytvoríte veľmi presný model mozgu, znamená to, že môžete robiť oveľa viac experimentov,“ povedal Andreas Tolias, PhD., profesor oftalmológie zo Stanford Medicine a senior autor štúdie, publikovanej 9. apríla v časopise Nature. „Tie, ktoré sa ukážu ako najsľubnejšie, môžete potom otestovať v skutočnom mozgu.“ Hlavným autorom štúdie je Eric Wang, PhD., študent z Baylor College of Medicine.
Na rozdiel od predchádzajúcich modelov AI zrakovej kôry, ktoré mohli simulovať reakciu mozgu iba na typ podnetov, ktoré videli v tréningových údajoch, dokáže nový model predpovedať reakciu mozgu na širokú škálu nových vizuálnych vstupov. Môže dokonca predpokladať anatomické vlastnosti každého neurónu.
„Verím, že nakoniec bude možné vybudovať digitálne dvojčatá aspoň z častí ľudského mozgu,“ vyslovil sa Tolias. Nový model je príkladom základného modelu relatívne novej triedy modelov umelej inteligencie schopných učiť sa z veľkých súborov údajov a potom tieto znalosti aplikovať na nové úlohy a nové typy údajov. Je príkladom toho, čo výskumníci nazývajú „zovšeobecňovanie mimo distribúcie tréningu“.
„V mnohých ohľadoch je zárodkom inteligencie schopnosť robustne zovšeobecňovať,“ vysvetľuje Tolias. „Konečným cieľom – svätým grálom – je zovšeobecniť scenáre mimo vašej distribúcie tréningu.“
Pokusné myši sledovali filmy
Na trénovanie nového modelu AI vedci najprv zaznamenali mozgovú aktivitu skutočných myší, keď sledovali filmy (určené ľuďom vrátane kultového filmu Mad Max).
Myši majú videnie s nízkym rozlíšením – ako naše periférne videnie –, čo znamená, že vnímajú hlavne pohyb, nie detaily alebo farby. Myši majú rady pohyb, ktorý silne aktivuje ich vizuálny systém, preto im vedci púšťali akčné filmy s rýchlymi scénami.
Vedci zaznamenali viac ako 900 minút mozgovej aktivity ôsmich myší, ktoré sledovali akčné filmy, pričom kamery monitorovali ich pohyby očí a správanie.
Vedci použili agregované údaje na trénovanie základného modelu, ktorý sa potom mohol s trochou ďalšieho tréningu prispôsobiť digitálnemu dvojčaťu akejkoľvek inej myši.
Vizualizácia počítačovej modelácie mozgu. Zdroj: iStock/VectorMine
Digitálne dvojčatá
Tieto digitálne dvojčatá boli schopné presne simulovať nervovú aktivitu svojich biologických náprotivkov v reakcii na rôzne nové vizuálne podnety vrátane videí a statických obrázkov. Veľké množstvo agregovaných tréningových údajov bolo kľúčom k úspechu digitálnych dvojčiat. Podľa slov Toliasa: „Boli pôsobivo presné, pretože boli vyškolené na veľmi veľkých súboroch údajov.“
Hoci sú nové modely trénované iba na nervovú aktivitu, mohli by sa zovšeobecniť na iné typy údajov.
Digitálne dvojča jednej konkrétnej myši bolo schopné predpovedať anatomické umiestnenie a typ buniek tisícov neurónov v zrakovej kôre, ako aj spojenia medzi týmito neurónmi.
Vedci overili tieto predpovede pomocou zobrazenia vizuálnej kôry tejto myši z elektrónového mikroskopu s vysokým rozlíšením, ktoré bolo súčasťou väčšieho projektu na mapovanie štruktúry a funkcie zrakovej kôry myši v bezprecedentných detailoch. Výsledky tohto projektu, známeho ako MICrONS, boli súčasne publikované v časopise Nature.
Otvorenie čiernej skrinky
Na rozdiel od myši, ktorá má pomerne krátky život, môže digitálne dvojča fungovať veľmi dlho. Vedci by preto mohli vykonávať prakticky neobmedzený počet experimentov v podstate na tom istom zvierati. Experimenty, ktoré by za normálnych okolností trvali roky, by mohli byť dokončené v priebehu niekoľkých hodín a milióny experimentov by mohli prebiehať súčasne, čo by urýchlilo výskum toho, ako mozog spracováva informácie a princípy inteligencie.
„Snažíme sa takpovediac otvoriť čiernu skrinku, aby sme pochopili mozog na úrovni jednotlivých neurónov alebo populácií neurónov a toho, ako spolupracujú na kódovaní informácií,“ uviedol Tolias.
Ako sa kamarátia neuróny
Nové modely už reálne prinášajú nové poznatky. V ďalšej súvisiacej štúdii, ktorá bola tiež súčasne publikovaná v časopise Nature, vedci použili digitálne dvojča, aby zistili, ako si neuróny v zrakovej kôre vyberajú iné neuróny, s ktorými vytvárajú spojenia.
Odborníci vedeli, že podobné neuróny majú tendenciu vytvárať spojenia, rovnako ako ľudia vytvárajú priateľstvá. Digitálne dvojča odhalilo, na ktorých podobnostiach záleží najviac. Neuróny sa radšej spájajú s neurónmi, ktoré reagujú na rovnaký podnet (napríklad na modrú farbu), než s neurónmi, ktoré reagujú na rovnakú oblasť vizuálneho priestoru. „Je to ako keby si niekto vyberal priateľov na základe toho, čo sa mu páči, nie na základe toho, kde sú,“ vysvetlil Tolias.
Vedci plánujú rozšíriť svoje modelovanie na ďalšie oblasti mozgu a aj na ďalšie zvieratá vrátane primátov s pokročilejšími kognitívnymi schopnosťami. Tolias verí, že nakoniec bude možné vybudovať digitálne dvojčatá aspoň z častí ľudského mozgu.
K práci prispeli aj vedci z Univerzity v Göttingene a Allenovho inštitútu pre vedu o mozgu.
Zdroj: Stanford Medicine, Nature
(LDS)
