Digitálne dvojčatá prepisujú dejiny neurovedy. Vedci vytvorili „nesmrteľný mozog“, ktorý predpovedá neurónové reakcie

Digitálne dvojčatá rozširujú hranice neurovedy a pretvárajú doterajšie chápanie mozgu. Vedci zo Stanford Medicine vytvorili pomocou umelej inteligencie realistickú simuláciu časti mozgu, ktorá spracúva vizuálne podnety. Model následne predikoval reakcie desiatok tisíc neurónov na nové obrazové stimuly.

Použitie digitálnych dvojčiat v neurovede zásadne urýchľuje výskum mozgu a zároveň umožňuje testovať hypotézy, ktoré by inak zostali nepreskúmané.

„Presne sformulovaný model mozgu umožňuje realizovať veľké množstvo experimentov v simulovanom prostredí,“ vysvetlil Andreas Tolias, profesor oftalmológie na Stanford Medicine a hlavný autor štúdie. „Najsľubnejšie experimenty potom môžeme overovať priamo v skutočnom mozgu.“

Ako digitálne dvojčatá fungujú v neurovede

Digitálne dvojčatá si môžeme predstaviť ako virtuálne modely fyzických objektov, ktoré zachytávajú ich štruktúru a dynamiku, píše portál Health Tech. Najnovšia trieda týchto modelov sa dokáže učiť z rozsiahlych súborov dát. Získané znalosti následne aplikuje na nové úlohy či neznáme typy údajov.

Vedci zo Stanford Medicine postupovali tak, že najprv zaznamenali mozgovú aktivitu skutočných myší počas sledovania filmov, pôvodne vytvorených pre ľudské publikum. Filmy navrhovali tak, aby čo najvernejšie simulovali vizuálne podnety z prirodzeného prostredia myší.

Keďže myši disponujú videním s nízkym rozlíšením, ktoré pripomína periférne videnie človeka, zachytávajú najmä pohyb, nie jemné detaily alebo farby.

„Myši uprednostňujú dynamický obraz, ktorý intenzívne stimuluje ich vizuálny systém, preto sme im premietali filmy plné akčných scén,“ uviedol Andreas Tolias.

Výskumníci zozbierali viac než 900 minút dát o mozgovej aktivite ôsmich myší, ktoré sledovali dynamické filmové klipy, vrátane akčných sekvencií z filmov ako Mad Max. Kamery pritom nepretržite monitorovali ich pohyby očí a správanie, aby získali komplexný obraz o ich reakciách.

Získané dáta slúžili na trénovanie základného modelu umelej inteligencie. Vedci ho následne optimalizovali tak, aby po minimálnom dodatočnom trénovaní dokázal vytvoriť digitálne dvojča pre akúkoľvek individuálnu myš.

Nesmrteľný virtuálny mozog

Digitálne dvojčatá dokázali s vysokou presnosťou simulovať nervovú aktivitu svojich biologických predlôh pri spracovaní nových vizuálnych podnetov. Hoci vedci trénovali nové modely výhradne na základe neurálnej aktivity, tieto systémy preukázali schopnosť zovšeobecniť získané poznatky aj na iné typy údajov.

Digitálne dvojča vytvorené pre konkrétnu myš nielenže presne predpovedalo anatomickú lokalizáciu a typy neurónov vo vizuálnej kôre, ale zároveň odhalilo komplexné vzorce prepojení medzi nimi.

Fungovanie digitálneho dvojčaťa presahuje životnosť samotnej myši. Výskumníci majú možnosť realizovať prakticky neobmedzené množstvo experimentov na „virtuálnom mozgu“ jedného zvieraťa. Simulácie, ktoré by v reálnych podmienkach trvali celé roky, zvládnu v priebehu niekoľkých hodín, a navyše môžu paralelne spustiť milióny ďalších experimentov.

„Snažíme sa, obrazne povedané, otvoriť čiernu skrinku a porozumieť fungovaniu mozgu na úrovni jednotlivých neurónov aj celých populácií, a zistiť, ako tieto štruktúry spolupracujú pri kódovaní informácií,“ vysvetlil Andreas Tolias.

Digitálne dvojčatá a poruchy srdcového rytmu

Vedci z Johns Hopkins University vytvárajú prispôsobené digitálne dvojčatá, ktoré detailne rekonštruujú geometriu srdca konkrétneho pacienta. Každé digitálne dvojča zahŕňa nielen anatomickú štruktúru orgánu, ale aj patologické zmeny ako fibrózu, zápal či poškodenie tkaniva, detegované prostredníctvom MRI alebo CT snímok.

Model tiež verne napodobňuje spôsob, akým sa elektrický impulz šíri srdcovým svalom. Elektrické impulzy iniciujú kontrakciu srdcového svalu. Ak však dôjde k poškodeniu alebo vzniku jazvovitého tkaniva, môžu nastať poruchy sdrcového rytmu, vrátane arytmií.

Model analyzuje šírenie elektrických impulzov a identifikuje abnormality, ktoré umožňujú vedcom predikovať zvýšené riziko arytmie u konkrétneho pacienta. Tento prístup prehlbuje porozumenie mechanizmom porúch srdcového rytmu a zároveň podporuje vývoj nových individualizovaných terapií.

Čítaj viac z kategórie: Lifehacking