Цифровой двойник головастика

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».

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

Иллюстрации предоставлены исследователем