Скайнет начнется с мухи дрозофилы? Ученые впервые оцифровали мозг насекомого

Содержание страницыList

Кибернетическая муха-дрозофила с красным глазом и металлическими частями на фоне разрушенного города и башни с надписью Skynet.

Полторы недели назад дрозофила умела только простые, базовые вещи — летать, жрать фрукты и размножаться. Сейчас она играет в Doom, торгует биткоином, паркуется задним ходом и управляет шагающим роботом. Интернет буквально взорвало: серьезная научная работа длиной почти в два десятилетия за несколько дней превратилась в главный хайп сентября. Джуны, берегитесь — вас заменят не навороченные LLM с триллионом параметров, а FLY AI, который будет работать за банан. А если кроме шуток — действительно интересно, зачем оцифровали мозг мухи, что на самом деле умеет виртуальная дрозофила и стоит ли всерьез воспринимать мемы про Скайнет.

Что произошло на самом деле: в Google создали цифровой мозг мухи

3 сентября Google Research вместе с HHMI Janelia, Кембриджским университетом и MRC Laboratory of Molecular Biology опубликовали MaleCNS v1.0 — полную карту центральной нервной системы взрослого самца дрозофилы. В нее вошли более 166 тысяч нейронов и около 125 миллионов синаптических контактов. На сегодня это крупнейшая полная карта мозга по числу нейронов. Результаты вышли в журнале Cell, а сам датасет выложили в открытый доступ. Фактически теперь любой желающий может скачать мозг мухи — нужны только браузер и терпение.

И понеслось. Просто не могло не понестись.

Естественно, датасет немедленно скачали разработчики, не имеющие к нейробиологии никакого отношения. Началась вакханалия безудержного кодинга. За неделю симуляцию мушиной нервной системы подключили к Minecraft, Bad Apple, Beat Saber, Doom, Super Mario 64, кубику Рубика, графику биткоина, парковке автомобиля и физическому роботу Strandbeest. И, конечно, давай вовсю постить результаты в пабликах.

Хайп разгорелся за считанные дни. Цифровой мозг мухи стал мемом раньше, чем успел стать научной новостью.

Сцена из фильма с Арнольдом Шварценеггером в роли киборга с выражением решимости на лице.

Мозг мухи в компьютере — это еще не мозг

По соцсетям до сих пор гуляют заголовки в духе «сознание мухи загрузили в компьютер». Но это неправда. Оцифровали не сознание, а коннектом (connectome) — схему соединений между нейронами.

Получали эту схему долго и нудно, как это принято у ученых. Из мухи изъяли нервную систему, разрезали ее на миллионы тончайших срезов, каждый сфотографировали под электронным микроскопом. Затем специальные алгоритмы собрали из двумерных снимков трехмерные структуры и определили, какие фрагменты принадлежат каким нейронам. На основе этих данных ИИ сделал базовую реконструкцию, которую затем вычитывали и правили живые специалисты. Заняло это несколько лет. В итоге получилась цифровая карта нейронных связей, которая воспроизводит реальную биологическую структуру — тот самый коннектом. Его и опубликовали.

Визуализация нейронных активностей с интерфейсом управления параметрами на экране.

В модель вошел не только головной мозг, но и вентральная нервная цепочка — приблизительный аналог спинного мозга. Именно поэтому по карте можно проследить полный путь сигнала: от зрительных, слуховых и обонятельных входов до нейронов, управляющих движением.

Именно это сделало возможными все последующие эксперименты с играми.

Однако коннектом — не рабочий мозг. Он просто показывает, какие провода куда идут. Но что делает каждый переключатель и с какой силой он срабатывает — науке пока неизвестно.

Почему именно дрозофила

Выбор объекта исследования совершенно логичен. Мозг дрозофил изучают уже больше века. Да и не только мозг — несчастные мухи служат «сырьем» для огромного количества экспериментов, в том числе генетических. Причин несколько.

  • Дрозофила быстро размножается и дешево содержится — классическое требование к модельному организму.
  • У нее достаточно сложное поведение: зрение, навигация, поиск пищи, ухаживание, агрессия.
  • При этом нервная система несопоставимо компактнее человеческой — всего 166 тысяч нейронов против примерно 86 миллиардов у нас.

Есть и вторая причина. Полные коннектомы дрозофилы создавались и раньше. Но все предыдущие исходные особи были женскими — и hemibrain 2020 года, и полный мозг самки проекта FlyWire. А для последнего взяли самца.

Ученые хотели сравнить нервные системы двух полов одного вида с непростым социальным поведением и увидеть, какие именно нейроны отвечают за различия в брачных ритуалах и агрессии. Ну а мы, конечно, ждем, когда новый коннектом отвлечется от игры в Doom и потребует пива.

Как мозг мухи попал в Doom

Скриншот из игры Doom с интерфейсом DOOMFLY, показывающий геймплей и телеметрию нейросети.

Кстати об игре в Doom. Среди экспериментов с коннектомом сильнее всех завирусился DOOMFLY инженера Алекса Вормута. Устройство у него довольно прозрачное, а код выложен на GitHub.

Как это устроено? Каждый кадр из игровой арены на движке Doom превращается в сигналы для смоделированной зрительной системы мухи. Активность распространяется по сети из 166 700 нейронов и более 25,5 миллиона направленных связей. Сигналы определенных выходных нейронов жестко привязаны к кнопкам — движение, повороты, стрельба.

Есть и система обратной связи: когда персонаж получает урон, модель стимулирует две дофаминовые клетки PPL101 — это работает как экспериментальное отрицательное подкрепление.

Важно то, что распознает противников, целится и играет именно цифровой «мозг», а не написанный алгоритм, который управляет персонажем вместо мухи. Вормут даже запустил стрим, где одновременно видны здоровье, патроны, фраги и графики нейронной активности.

Веселье этим не ограничилось.

Разработчик Ник Уолтон показал, как симуляция собирает кубик Рубика.

Автор под ником IGNIS подавал на виртуальную зрительную систему изображения символов и переводил нейронную активность в траектории — получился целый шрифт.

Кто-то заставил муху парковать симуляцию автомобиля, кто-то вывел активность нейронов на реального шагающего робота.

Один рисковый парень дал коннектому 100 долларов и подключил к графику биткоина. Правда, муха оказалась таким же талантливым трейдером, как большинство ИИ, и слила бюджет.

А она действительно учится?

Тут самое время проявить здоровый скепсис, то есть, простите, реализм. И первым это сделал сам автор DOOMFLY. В описании репозитория он написал предельно честно: обучение экспериментальное, выживание не продемонстрировано.

О том же свидетельствуют объективные метрики. Кандидат версии v6 не прошел проверки на зрение, выработку условного рефлекса и выживание, а изменение весов и удлинение раундов, по словам автора, факта обучения не доказывают.

Отрицательные результаты и контрольные тесты лежат в репозитории рядом с кодом — можете посмотреть сами.

Визуализация нейронной активности дрозофилы с использованием VR-контроллеров для имитации движений.

Почему муха на самом деле не может играть в Doom

Причина — в природе самих данных. Еще раз: мы имеем дело не с живым мозгом, и даже не с оцифрованным, а с коннектомом, то есть со схемой. Схема задает связи, а остальное приходится достраивать вручную.

Отсюда вытекают следствия.

  • Математическую модель работы нейрона выбирает разработчик — в датасете ее нет.
  • Проекция игровых пикселей на фоторецепторы — инженерное приближение, а не реальная работа биологической сетчатки.
  • Правило подкрепления через дофаминовые клетки дописано сверху, в исходных данных его нет.
  • Привязка выходных нейронов к кнопкам геймпада — опять же личное инженерное решение автора.

Получается замкнутый нейронный контур, который честно управляет действиями, но понимает, что делает. Мозг мухи не знает, что такое дверь, демон или кубик Рубика. Его помещают в искусственную среду, подают сигналы через сенсорные входы и смотрят, какое поведение возникнет на выходе.

Справедливости ради, виртуальные тела для дрозофилы придумали раньше. Еще весной коннектом центрального мозга мухи помещали в симулятор NeuroMechFly. Модель искала еду по вкусовым подсказкам и чистила усики передними лапками. Но это мало кого заинтересовало.

Тот хайп, который поднялся сейчас, вызван не новизной идеи, а масштабом датасета и тем, что он оказался в руках у всех желающих.

В чем разница между живой дрозофилой и оцифрованной

Итак, устроят ли дрозофилы Скайнет в реальном мире? Спойлер — нет. Думаю, вы уже догадываетесь, почему.

  • Коннектом остается статическим анатомическим снимком, а не работающим мозгом.
  • Нет оснований говорить о сознании или субъективном опыте у симуляции.

В инженерном смысле это явление не из области интеллекта, а скорее из области механики, хоть и виртуальной.

Все задачи, которые якобы освоил оцифрованный мозг мухи, живой дрозофиле недоступны в принципе. Не потому, что она тупая, а потому, что в ее поведенческом репертуаре нет ни таких целей, ни подходящих органов, ни нужного масштаба времени.

Чтобы настоящие дрозофилы начали играть в Doom, на них надо надеть шлемы виртуальной реальности с работающим DOOMFLY внутри и полностью отрубить личную волю. Но это уже будет не муха. К тому же до такого наша наука еще не дошла. Проще сделать робота с этой моделью в голове.

Цифровой ад и мемы про вечную работу

Скриншот твита на русском языке с забавным текстом о мухе, которая научилась разным умениям.

Но согласимся — не отреагировать на такие вещи невозможно, и интернет, конечно, отреагировал.

Главным героем быстро стала сама муха — существо, которое умерло, но вместо покоя получило цифровое бессмертие и бесконечную занятость. Отсюда сравнения с «Черным зеркалом», шутки про цифровой ад и целый пласт русскоязычных мемов про работу:

  • человечество наконец нашло сотрудника, которого можно заставить трудиться даже после смерти;
  • мозг мухи оцифровали и научили работать, еще немного дообучат — он научится забивать на работу болт;
  • первый в истории ИИ, который согласен работать за еду, и т.д.

Один из пользователей вместо очередной игры спроецировал на коннектом «Муху-Цокотуху», и это, пожалуй, самый гуманный из проведенных экспериментов.

Заодно дрозофила пополнила почтенную традицию запускать Doom на всем подряд — от тестов на беременность до принтеров. Теперь в списке абсурдных платформ есть и нервная система насекомого.

Можно ли так же оцифровать мозг человека?

И даст ли это нам цифровое бессмертие?

Говорить о таких перспективах пока рано. Увы.

Во-первых, оцифровка человека ученым пока не по силам — оцифровывалка не выросла. Разрыв между дрозофилой и хомо сапиенсом огромен. Выстроить коннектом для 86 млрд нейронов нереально технически. Ближайшие цели науки куда скромнее — полная карта мозга личинки рыбки данио и отдельные участки мозга мыши.

Ну и во-вторых, даже полная схема связей не позволяет воспроизвести настоящую работу мозга.

Это главный аргумент против «цифрового бессмертия», и его продемонстрировала как раз мушиная история.

Допустим, когда-нибудь полную карту человеческого мозга все-таки построят. Ее точно так же придется оживлять чужими руками: подбирать модель нейрона, назначать входы и выходы, дописывать правила пластичности, подключать какое-то тело к какой-то среде. Если получившаяся система вдруг начнет делать то, чего живой прототип никогда не умел, это будет означать ровно то же, что и муха за штурвалом Doom: работает обвязка, а не личность.

Человек ведь не сводится к схеме соединений. Есть химия и гормоны, есть тело, есть непрерывность опыта и конкретная биография, которая эти связи и выстроила. Коннектом фиксирует статическое состояние, как фотография фиксирует позу. Но от живого человеческого сознания это так же далеко, как фото от оригинала.

Зато есть направление, где связь с искусственным интеллектом совершенно реальная. Коннектом — это готовый граф связей, проверенный эволюцией. Его можно использовать как основу для нейроморфных вычислений, и его таки используют: полный коннектом дрозофилы запускали на чипах Intel Loihi 2.

Наконец-то впервые можно сопоставить архитектуру живой нервной системы с архитектурой искусственных сетей на полном, а не выборочном материале. Ученые ликуют.

Заодно открытый датасет наглядно показал старую истину: сложную технологию замечают тогда, когда у нее появляется понятный интерфейс. Научная статья набрала бы сотню цитирований. Муха в Doom собрала миллионы просмотров.

Вывод

История прикольная, по-хорошему безумная и поучительная. Почти два десятилетия кропотливой работы, миллионы срезов, годы ручной вычитки — и результат немедленно уходит в народ, который придумывает ему применения быстрее, чем авторы успевают их комментировать. Восстания машин мы на этот раз не дождемся. Зато все увидели, как выглядит настоящая открытая наука: выложить данные и позволить людям делать с ними странные вещи.

Иногда из странных вещей вырастает следующий эксперимент, который двигает прогресс дальше.

А у виртуальной мухи дрозофилы, судя по динамике, впереди еще много профессий.

Часто задаваемые вопросы

Что такое коннектом? Toggle
Это карта нейронов и связей между ними, своего рода схема проводки нервной системы. Она показывает, кто с кем соединен, но не описывает, как работает каждое соединение.
Правда ли, что мух можно научить играть в Doom? Toggle
Персонажем управляет активность симуляции, построенной на реальном цифровом слепке мозга. Но живую дрозофилу этому научить невозможно, а автор эксперимента сам это признает.
Муха действительно обрела цифровое бессмертие? Toggle
Нет. Коннектом — статическая схема, а не живой мозг, и оснований говорить о субъективном опыте у симуляции не существует.
Это шаг к оцифровке человеческого мозга? Toggle
Очень отдаленный. В мозге человека около 86 миллиардов нейронов, а схема связей без тела, химии и биографии человеком все равно не станет.
Где посмотреть данные и код? Toggle
Коннектом открыт для изучения через Neuroglancer и neuPrint на сайте проекта, а код эксперимента с Doom выложен на GitHub.
Чей мозг оцифруют следующим? Toggle
Ближайшие цели — личинка рыбки данио и отдельные участки мозга мыши. Сроки называются разные, и часть исследователей считает самые смелые оценки завышенными.