Срочные новости раздела
Ученые создали цифровой двойник головастика

Ученые создали 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.

 Общий вид модели головастика в процессе плавания с графиком активности основных управляющих нейронов и визуализацией скоростей жидкости © Глеб Сегеда

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.

Статья опубликована в журнале PLOS Computational BiologyИсточник: Глеб Сегеда sbras.info

Источник: sci-dig.ru

Последние записи - Наука

самые читаемые новости

#Наука

Ученые эксперимента ALICE на Большом Адроном Коллайдере произвели первые в истории науки прямые наблюдения за так называемым эффектом «конуса смерти», который представляет собой проявление теории
подробнее...

Исследовательская группа под руководством ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) описала возможный биологический механизм, связывающий два заболевания, при котором рак молочной
подробнее...

Американские ученые выяснили, как небольшие генетические изменения позволили электрическим рыбам развить электрические органы. Открытие может помочь исследователям определить генетические мутации,
подробнее...

Работа примерно половины антибиотиков основана на том, что они подавляют активность рибосом, синтезирующих необходимые для жизни клетки белки. Однако рибосомы у грибков и человека очень похожи,
подробнее...

Коллаборация исследователей при участии специалистов Международной лаборатории биоинформатики НИУ ВШЭ представила новый способ борьбы с трудноизлечимой меланомой. Ученые обнаружили, что одна из форм
подробнее...

Немецкие физики применили технику времяпролетной визуализации к вырожденному атомному ферми-газу в оптической ловушке для исследования механизма образования атомами куперовских пар. Спаривание
подробнее...

Исследователи из Бостонского колледжа (США) обнаружили новую частицу — так называемую аксиальную моду Хиггса. Материалы, содержащие эту частицу, могут служить квантовыми датчиками для оценки других
подробнее...

Палеонтологи изучили покровы хорошо сохранившегося экземпляра пситтакозавра и обнаружили у него пупочный рубец (фактически пупок), как у некоторых крокодилов и ящериц. Это первая находка пупка среди
подробнее...

Физики превратили пару кристаллов времени в искусственный кубит с эффектом обратной связи и исследовали его динамику. Сами кристаллы представляли собой магнонные конденсаты, сформированные в жидком
подробнее...

Команда ученых из ВШЭ, Сколтеха, МПГУ, МИСИС создала нанофотонный микрофлюидный сенсор, потенциально применимый для диагностики, сопровождения и оценки эффективности лечения онкологических
подробнее...

Биоинформатики ИТМО разработали сервис для анализа клеточного метаболизма — биохимических реакций, отвечающих за жизнедеятельность клеток, — Shiny GATOM. В отличие от аналогов предложенный инструмент
подробнее...

Сингапурские физики сообщили о первом успешном пленении нейтральных атомов индия в магнитооптической ловушке. Для этого они использовали их лазерное охлаждение с метастабильного состояния. В
подробнее...

Ученые Института математических проблем биологии РАН (Пущино) провели компьютерное исследование структурных и физических свойств самоорганизующихся пептидных нанотрубок на основе дипептида
подробнее...

Коллаборация MicroBooNE подвела итоги нескольких лет работы по проверке гипотезы о том, что причиной аномального сигнала детектора MiniBooNe стал избыток электронных нейтрино. Три разные группы
подробнее...

Научная группа из Сколтеха и Сеченовского университета напечатала на 3D-принтере образцы из пористого сплава железа и кремния — создатели считают этот материал перспективным для дизайна костных
подробнее...

Международный коллектив, объединивший исследователей из разных областей, среди которых и антрополог МГУ, исследовал ДНК из семи захоронений кыргызстанских кладбищ Кара-Джигач и Бурана, где,
подробнее...

Новое исследование британских ученых раскрывает механизм, с помощью которого гены, кодирующие подмножество длинных некодирующих РНК, взаимодействуют с соседними генами, регулируя развитие и функцию
подробнее...

Физики из Германии и России провели сверхточное измерение изотопического сдвига электронного магнитного момента у водородоподобных ионов неона. Совместное измерение пары изотопов в ловушке Пеннинга
подробнее...