Modely AI mozku by mohly ve výzkumu sloužit jako „digitální dvojčata“

I když by pilot mohl praktikovat manévry v letovém simulátoru, vědci by mohli být brzy schopni provádět experimenty na realistické simulaci mozku myši. V nové studii vědci a spolupracovníci Stanford Medicine použili model umělé inteligence k vytvoření „digitálního dvojče“ části mozku myši, který zpracovává vizuální informace.

Digitální dvojče bylo vyškoleno na velkých datových sadách mozek Aktivita shromážděná z vizuální kůry skutečných myší, když sledovali filmové klipy. Poté by to mohlo předpovídat reakci desítek tisíc neuronů na nová videa a obrázky.

Digitální dvojčata by mohla usnadnit a efektivnější studium vnitřního fungování mozku.

„Pokud vytvoříte model mozku a je to velmi přesné, znamená to, že můžete udělat mnohem více experimentů,“ řekl Andreas Tolias, Ph.D., profesor oftalmologie Stanford Medicine a starší autor studie Publikováno 9. dubna v Příroda. „Ty, které jsou nejslibnější, které pak můžete vyzkoušet ve skutečném mozku.“

Hlavním autorem studie je Eric Wang, Ph.D., student medicíny na Baylor College of Medicine.

Kromě distribuce tréninku

Na rozdíl od předchozích modelů AI vizuální kůry, které by mohly simulovat reakci mozku pouze na typ podnětů, které viděli ve tréninkových datech, může nový model předpovídat reakci mozku na širokou škálu nového vizuálního vstupu. Může dokonce předpokládat anatomické rysy každého neuronu.

Nový model je příkladem nadačního modelu, relativně nové třídy modelů AI schopných učit se z velkých datových sad a poté tyto znalosti aplikovat na nové úkoly a nové typy dat – nebo to, co vědci nazývají „zobecněním mimo distribuci tréninku“. (Chatgpt je známý příklad nadačního modelu, který se může poučit z obrovského množství textu, aby porozuměl a generoval nový text.)

„V mnoha ohledech je semeno inteligence schopnost zobecnit robustně,“ řekl Tolias. „Konečný cíl – Svatý grál – je zobecnit na scénáře mimo vaši distribuci tréninku.“

Myší filmy

Pro trénink nového modelu AI vědci poprvé zaznamenali mozkovou aktivitu skutečných myší, když sledovali filmy-filmy pro lidi. Filmy by v ideálním případě by se přiblížily tomu, co by myši mohly vidět v přirozeném prostředí.

„Je velmi těžké ochutnat realistický film pro myši, protože nikdo neudělá hollywoodské filmy pro myši,“ řekl Tolias. Ale akční filmy přišly dost blízko.

Myši mají vidění s nízkým rozlišením-podobné naší periferní vidění-což znamená, že vidí hlavně pohyb než detaily nebo barvu. „Myši jako pohyb, který silně aktivuje jejich vizuální systém, a tak jsme jim ukázali filmy, které mají hodně akcí,“ řekl Tolias.

Během mnoha krátkých sledovacích sezení vědci zaznamenali více než 900 minut mozkové aktivity od osmi myší sledujících klipy filmů nabitých akcí, jako je Mad Max. Kamery monitorovaly jejich pohyby očí a chování.

Vědci použili agregovaná data k trénování jádra modelcož by pak mohlo být přizpůsobeno do digitálního dvojče jakékoli jednotlivé myš s trochou dalšího tréninku.

Přesné předpovědi

Tato digitální dvojčata byla schopna pečlivě simulovat nervovou aktivitu svých biologických protějšků v reakci na řadu nových vizuálních podnětů, včetně videí a statických obrázků. Velké množství agregovaných tréninkové údaje byl klíčem k úspěchu digitálních dvojčat, řekl Tolias. „Byli působivě přesní, protože byli vyškoleni na tak velkých datových sadách.“

Ačkoli jsou nové modely vyškoleny pouze na neurální aktivitu, mohly by se zobecnit na jiné typy dat.

Digitální dvojčata jedné konkrétní myš dokázala předvídat anatomická místa a typ buněk tisíců neuronů ve vizuální kůře a také spojení mezi těmito neurony.

Vědci ověřili tyto předpovědi proti zobrazování vizuální kůry této myši s vysokým rozlišením, elektronový mikroskop, který byl součástí většího projektu, který mapoval strukturu a funkci vizuální kůry myši v bezprecedentních detailech. The Výsledky tohoto projektuznámý jako Mikronybyly publikovány současně v Příroda.

Otevření černé skříňky

Protože digitální dvojčata může fungovat dávno po životnosti myši, vědci mohli provádět prakticky neomezený počet experimentů v podstatě stejného zvířete. Pokusy, které by trvaly roky, by mohly být dokončeny za hodiny a miliony experimentů by mohly probíhat současně a urychlit výzkum, jak mozek zpracovává informace a principy inteligence.

„Snažíme se otevřít černou skříňku, abych tak řekl, porozumět mozku na úrovni jednotlivých neuronů nebo populací neuronů a jak spolupracují na kódování informací,“ řekl Tolias.

Ve skutečnosti nové modely již přinášejí nové poznatky. V jiném souvisejícím studieSoučasně publikováno v PřírodaVědci použili digitální dvojčata k zjištění, jak neurony ve vizuální kůře vybírají jiné neurony, s nimiž lze vytvářet spojení.

Vědci věděli, že podobné neurony mají tendenci vytvářet spojení, jako lidé vytvářející přátelství. The Digitální dvojče odhalil, na kterých podobnostech záleželo nejvíce. Neurony upřednostňují spojení s neurony, které reagují na stejný stimul – například barvu modrá – nad neurony, které reagují na stejnou oblast vizuálního prostoru.

„Je to jako někdo, kdo vybírá přátele na základě toho, co se jim líbí a ne kde jsou,“ řekl Tolias. „Naučili jsme se to přesnější pravidlo, jak je mozek organizován.“

Vědci plánují rozšířit své modelování do jiných oblastí mozku a na zvířata, včetně primátů, s pokročilejšími kognitivními schopnostmi.

„Nakonec věřím, že bude možné vybudovat digitální dvojčata alespoň částí lidského mozku,“ řekl Tolias. „To je jen špička ledovce.“

K práci přispěli vědci z univerzity Göttingen a Allen Institute for Brain Science.