Vědci ze Stanfordské univerzity společně s mezinárodními kolegy vytvořili něco, co se ještě donedávna zdálo jako science fiction: realistický digitální model myšího mozku, takzvané digitální dvojče, které dokáže simulovat nervovou aktivitu s překvapivou přesností. Tento revoluční pokrok by mohl v budoucnu znamenat zásadní změnu ve výzkumu mozku – experimenty, které by jinak trvaly roky, by se mohly odehrávat v řádu hodin a bez nutnosti zasahovat do živých organismů.

Simulátor mozku? Ano, skutečně

Podobně jako piloti trénují v leteckých simulátorech, vědci by brzy mohli provádět bezpečné, rychlé a opakovatelné experimenty na digitálním modelu mozku. Výzkumný tým z americké Stanford Medicine vedený profesorem Andreasem Toliasem vytvořil umělou inteligenci, která dokáže napodobit fungování zrakové kůry – části mozku zodpovědné za zpracování vizuálních podnětů – u skutečných myší.

Model byl trénován na obsáhlých záznamech nervové aktivity, které vznikly během toho, co myši sledovaly filmové klipy. Ano, čtete správně – myši sledovaly akční filmy.

Zdroj: Shutterstock

Možná to zní jako scéna z nějakého animovaného filmu, ale vědci zvolili právě akční filmy kvůli jejich vysokému tempu a pohybu – tedy něčemu, co myší oči dokážou registrovat. Myši nemají ostré vidění, podobá se spíše našemu perifernímu zraku, a proto reagují hlavně na pohyb.

Během více než 900 minut záznamu z osmi různých myší zachytili výzkumníci aktivitu desítek tisíc neuronů, která pak sloužila jako tréninkový materiál pro pokročilý AI model. Výsledkem je digitální dvojče, které umí předpovědět, jak mozek zareaguje na zcela nové vizuální podněty – a to s ohromující přesností.

Nejde jen o simulaci

Zásadní rozdíl oproti předchozím pokusům o modelování mozku spočívá v tom, že tento nový systém dokáže zobecňovat, tedy správně reagovat i na vstupy, které neviděl během tréninku. Je schopen „domýšlet“ nejen reakce neuronů, ale i jejich anatomii a propojení. Jinými slovy, umí si „představit“, kde se daný neuron nachází a s kým je spojen – podobně jako člověk odhadne, jak vypadá celé město na základě několika uliček.

Předpovědi modelu byly následně ověřeny pomocí elektronové mikroskopie, která zkoumala skutečnou strukturu mozku u jedné z myší. Výsledky se shodovaly, což posiluje důvěryhodnost celého projektu.

Výhoda digitálního mozku? Neumírá

Jednou z největších výhod digitálního dvojčete je jeho neomezená životnost. Zatímco skutečná laboratorní myš má omezený život, digitální model lze testovat znovu a znovu, bez etických otázek a biologických limitů. Můžeme s ním provádět miliony pokusů paralelně, zkoušet různé hypotézy a srovnávat výsledky v reálném čase.

Jak říká Tolias: „Snažíme se otevřít černou skříňku mozku a pochopit, jak jednotlivé neurony nebo jejich skupiny spolupracují při zpracování informací.“

Překvapivý objev: Jak si neurony vybírají „kamarády“

Digitální dvojče už dokázalo odhalit i zajímavé zákonitosti v organizaci mozku. Výzkumníci zjistili, že neurony si vybírají, s kým se propojí, na základě podobnosti reakce, nikoliv polohy. Jinak řečeno – spojení vznikají mezi neurony, které reagují na stejný podnět (například barvu), a ne nutně mezi těmi, které jsou si fyzicky blízko. Je to trochu jako kdybychom si vybírali přátele podle zájmů, a ne podle toho, kdo bydlí vedle.

Kam až to povede?

Výzkumníci už plánují rozšířit své modely i na další části mozku a na zvířata s vyššími kognitivními schopnostmi, včetně primátů. A nakonec i na člověka.

„Věřím, že bude možné vytvořit digitální dvojčata alespoň některých částí lidského mozku,“ uvedl Tolias. „Tohle je teprve začátek.“