Искусственный живой червь

26.11.2011

Источник: Interfax, Обозреватель Вера Широкова

Сибирские ученые создают первый в мире компьютерный аналог живого существа.

"Цель нашего проекта - создать первый в мире виртуальный организм, основываясь на данных о строении реального живого существа", – рассказал Interfax- Russia.ru руководитель проекта, ученый секретарь Института систем информатики им. А.П. Ершова Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) Андрей Пальянов.

Создаваемая учеными компьютерная модель живого существа должна стать полным аналогом своего "реального прообраза", вплоть до того, что она будет полностью повторять его поведение. Начать исследователи решили с малого, причем в прямом и переносном смысле, – они создают цифровую модель крошечного круглого червя, нематоды, научное название которого C. Elegans. Пока в центре эксперимента простейший организм, но это лишь первый и необходимый шаг на пути к пониманию работы нервной системы. Конечно, все, кто занимаются подобными исследованиями, надеются в итоге, рано или поздно, разгадать тайну сознания человека. Идея создания искусственного интеллекта уже много лет будоражит умы ученых.

"Сегодня большой интерес представляет собой вопрос о принципиальной возможности копирования, переноса личности человека на другой носитель. По сути, он эквивалентен вопросу о возможности создания искусственного интеллекта. Существуют принципиально различные точки зрения, и окончательный ответ может быть дан только в случае непосредственного создания такой искусственной системы. В случае с человеком дополнительная сложность состоит в том, что мы не знаем, что такое сознание. В случае же простейшего организма, такого как нематода, по крайней мере, на первый взгляд, этой проблемы нет", - пояснил ученый.

"Виртуальным организмом будет управлять электронная копия биологической нейронной сети, точно повторяющая строение своего реального прообраза. На примере нематоды C. Elegans, вся нервная система которой состоит из 302 нейронов (для сравнения, у человека их около 100 миллиардов), мы хотим выяснить, будет ли электронная копия вести себя так же как и оригинал в широком спектре ситуаций", - отметил Андрей Пальянов.

Нематоду C. Elegans ученые называют "ключом к проблеме интеллекта". По словам Андрея Пальянова, нобелевский лауреат 2002 года Джон Сальстон, получивший премию за исследование этого организма, сказал: "Когда мы разгадаем червя - мы поймем жизнь".

Крошечный червячок C. Elegans единственный на сегодняшний день организм, который ученые изучили почти досконально: им известен почти весь его коннектом - совокупность нейронов, межнейронных и нейро-мышечных связей, клеток-сенсоров и ряд других важных параметров. Других столь же изученных организмов более нет. Во многом это связано с удивительно малым размером его нервной системы – у принципиально более сложных животных, таких как моллюски и насекомые, количество нейронов уже измеряется десятками, а иногда и сотнями тысяч.

"Однако, несмотря на это, никто до сих пор не может объяснить принципов работы нервной системы. Пока эта проблема остается нерешенной, сложно помыслить успешное движение вперед в плане изучения более сложных организмов, хотя, конечно, хочется надеяться, что этот первый шаг в самой дальней перспективе приведет к возможности создания "электронного мозга", равного или превосходящего человеческий", - отметил собеседник Interfax-Russia.ru.

Пока же, по его словам, создание полноценной виртуальной копии нематоды станет фундаментом для изучения нервной системы значительно более сложных существ и позволит существенно расширить возможности проектирования искусственных нейронных сетей. Это очень важно не только для нейробиологов, но и для исследователей, занимающихся проблемами искусственного интеллекта.

Ученые Сибирского отделения РАН "живого" компьютерного червячка пытаются создать с 2007 года. Сначала они сделали механическую модель тела нематоды - компьютерную модель гибкого каркаса из пружин и точечных масс, снабженную мышечной системой, расположение каждой клетки которой (всего их 95) соответствует реальному биологическому прообразу. Потом был самый серьезный этап – создание фрагмента нервной системы из нескольких десятков нейронов, отвечающей за управление мышцами, которые могут сокращаться под действием нервных импульсов от моторных нейронов. Кроме того, исследователи разработали и так называемую модель физического окружения с необходимыми действующими физическими законами. Она необходима для того, чтобы компьютерная нематода могла "жить реальной жизнью", а исследователи – наблюдать ее поведение. Модель уже "умеет" повторять многие действия живого червя.

"Модель позволяет наблюдать реалистичное поступательное движение вперед и назад, свойственное и настоящей нематоде, а при встрече препятствия – поворот и продолжение движение вдоль него. Более сложные движения, а также изменение скорости или направления, повороты, поисковое поведение, реакция избегания раздражителя сейчас достигаются при участии дополнительных сигналов из головного нервного узла, до полноценной работы которого в рамках модели еще далеко", – рассказывает Андрей Пальянов.

Для того чтобы создать искусственный фрагмент нервной системы, ученые использовали данные, полученные исследователями, оцифровавшими нервную ткань нематоды. Это была отдельная большая работа.

"Тысячи микрофотографий тончайших срезов нематоды, на которых видны не только отдельные клетки, но и органеллы (структуры в клетках растений и животных, которые выполняют определенные функции – двигательную, рецепторную, выделительную и т.д. - ИФ), клеточные ядра, ионные каналы синапсов (связей нейронных клеток - ИФ), микроструктура отдельных мышечных волокон были отсканированы и введены в компьютер для того, чтобы реконструировать трехмерную структуру каждой клетки нематоды. Каждая взрослая особь состоит из 959 клеток, из них 302 – это нейроны, 95 – мышцы тела, а количество связей "нейрон-нейрон" и "нейрон-мышца" оценивается примерно в 7 тыс. Каждую такую связь можно увидеть и проследить на детальной трехмерной схеме", - пояснил руководитель проекта.

Эти данные необходимы для построения динамической модели, в которой все системы связаны и взаимодействуют между собой.

"Рецепторы, отслеживающие внутреннее состояние организма или сигналы из внешнего мира, рано или поздно запустят сигнал "голод" или "опасность", активируются соответствующие нервные контуры, которые, в свою очередь, запустят соответствующую ситуации двигательную активность – вот уже и проявление "жизни". А разве у нас не так?", - отметил Андрей Пальянов.

Если изначально исследование сибирских ученых задумывалось как самостоятельный проект, то теперь он стал частью проекта международного.

"Этой задачей занимались и раньше – первая попытка создания виртуального C. Elegans была предпринята в 2005 году. Но, как правило, это были небольшие коллективы. Однако в данном случае явно требуется объединение усилий экспериментаторов, теоретиков, специалистов в области нейробиологии, биофизики, компьютерного моделирования, программирования, высокопроизводительных вычислений. Мы понимали это и с самого начала старались идти на контакт с коллегами по задаче", - рассказал собеседник Interfax-Russia.ru.

Поэтому, в начале 2011 года коллектив Сибирского отделения РАН по разработке виртуальной нематоды C. Elegans пригласили присоединиться к международному проекту "Open Worm", объединяющему ученых из США, Италии, Ирландии и вот теперь и России. Руководит проектом исследователь–нейробиолог из Калифорнийского университета (Сан–Диего) Стивен Ларсон. Цель проекта "Open Worm" - разработка детальной, вплоть до клеточного уровня, действующей модели C. Elegans, включая все системы организма, которая позволит подробно изучить и понять механизмы работы нервной системы этого организма.



©РАН 2022