مثلما يستخدم الطيارون أجهزة محاكاة الطيران لممارسة المناورات المعقدة بأمان ، قد يقوم العلماء قريبا بتجربة محاكاة واقعية للغاية لأدمغة الفئران. في دراسة جديدة ، طور باحثون في كلية الطب بجامعة ستانفورد والمتعاونون معهم نموذجا للذكاء الاصطناعي لإنشاء "توأم رقمي" للقشرة البصرية للفأر ، وهي منطقة الدماغ المسؤولة عن معالجة المعلومات المرئية.

يتم تدريب هذا التوأم الرقمي على مجموعة بيانات من النشاط العصبي المسجلة بواسطة عدد كبير من الفئران الحقيقية أثناء مشاهدة مقاطع الأفلام. بمجرد تدريبه ، يمكنه التنبؤ بدقة بكيفية استجابة عشرات الآلاف من الخلايا العصبية للصور ومقاطع الفيديو الجديدة. يمكن للتوائم الرقمية أن تجعل دراسة الأعمال الداخلية للدماغ أسهل وأكثر كفاءة.

قال الدكتور أندرياس تولياس ، أستاذ طب العيون في جامعة ستانفورد وكبير مؤلفي الدراسة ، التي نشرت في مجلة Nature on 100: "إذا قمت ببناء نموذج دقيق للغاية للدماغ ، فهذا يعني أنه يمكن إجراء المزيد من التجارب". "يمكن بعد ذلك اختبار النماذج الواعدة في أدمغة حقيقية."

المؤلف الرئيسي للدراسة هو الدكتور إريك وانغ ، طالب الطب في كلية بايلور للطب.

على عكس نماذج الذكاء الاصطناعي السابقة للقشرة البصرية ، والتي يمكنها فقط محاكاة استجابة الدماغ لأنواع المحفزات التي تظهر في بيانات التدريب ، يتنبأ النموذج الجديد باستجابة الدماغ لمجموعة متنوعة من المدخلات المرئية الجديدة. يمكن أن يستنتج حتى الخصائص التشريحية لكل خلية عصبية.

النموذج الجديد هو مثال على نموذج تأسيسي ، وهو نموذج الذكاء الاصطناعي الجديد نسبيا القادر على التعلم من مجموعات البيانات الكبيرة ثم تطبيق هذه المعرفة على مهام جديدة وأنواع جديدة من البيانات - أو ما يسميه الباحثون "التعميم خارج توزيع التدريب". (ChatGPT هو نموذج مألوف لنموذج تأسيسي يتعلم من كميات كبيرة من النص ثم يفهم وينشئ نصا جديدا.) ）

يقول تورياس: "من نواح كثيرة ، تكمن بذرة الحكمة في القدرة على التعميم ، والهدف النهائي هو أن تكون قادرا على التعميم خارج توزيع التدريب". ”

لتدريب نموذج الذكاء الاصطناعي الجديد ، سجل الباحثون أولا نشاط دماغ الفئران الحقيقية أثناء مشاهدة فيلم (فيلم مصنوع للبشر). من الناحية المثالية ، ستكون هذه الأفلام قادرة على تقريب ما تراه الفئران في بيئتها الطبيعية.

قال تولياس: "من الصعب جدا صنع فيلم واقعي عن الفئران لأنه لن يصنع أحد في هوليوود فيلما عن الفئران". ومع ذلك ، فإن أفلام الحركة قريبة بما فيه الكفاية.

يمكن أن تساعد التوائم الرقمية العلماء في دراسة الأعمال الداخلية للدماغ. مصدر الصورة: إميلي موسكال / كلية ستانفورد للطب

تتمتع الفئران بدقة بصرية أقل - على غرار رؤيتنا المحيطية ، مما يعني أنها ترى الحركة في المقام الأول بدلا من التفاصيل أو الألوان. قال تولياس: "تحب الفئران الحركة ، التي تنشط نظامها البصري بقوة ، لذلك عرضنا عليهم أفلاما بالكثير من الحركة".

على مدار جلسات مشاهدة قصيرة متعددة ، سجل الباحثون نشاط الدماغ في ثمانية فئران لأكثر من 900 دقيقة أثناء مشاهدة مقاطع أفلام الحركة مثل Mad Max. راقبت الكاميرات حركات عيونهم وسلوكهم.

قام الباحثون بتدريب نموذج أساسي ببيانات مجمعة ، وبعد بعض التدريب الإضافي ، يمكن تخصيص النموذج كتوأم رقمي لأي فأر فردي.

هذه التوائم الرقمية قادرة على تقليد النشاط العصبي لنظرائهم البيولوجيين بدقة استجابة لمجموعة متنوعة من المحفزات المرئية الجديدة ، بما في ذلك الفيديو والصور الثابتة. وفقا لتورياس ، فإن الكميات الكبيرة من بيانات التدريب المجمعة هي مفتاح نجاح التوأم الرقمي. "ما يجعلها دقيقة للغاية هو أنها تم تدريبها على مجموعة البيانات الضخمة هذه."

على الرغم من أن النموذج الجديد يتم تدريبه فقط على النشاط العصبي ، إلا أنه يمكن تعميمه على أنواع أخرى من البيانات.

التوأم الرقمي لفأر معين قادر على التنبؤ بالموقع التشريحي ونوع الخلية لآلاف الخلايا العصبية في القشرة البصرية ، بالإضافة إلى الروابط بين هذه الخلايا العصبية. تحقق الباحثون من صحة هذه التنبؤات باستخدام التصوير المجهري الإلكتروني عالي الدقة للقشرة البصرية للفأر. هذا التصوير هو جزء من مشروع أكبر لرسم خريطة لبنية ووظيفة القشرة البصرية للفأر بتفاصيل غير مسبوقة. يطلق على المشروع اسم MICrONS ، وقد نشرت نتائجه في مجلة Nature في نفس الوقت.

نظرا لأن التوائم الرقمية يمكن أن تستمر في العمل بعد نهاية عمر الفأر ، يمكن للعلماء إجراء عدد غير محدود تقريبا من التجارب على نفس. يمكن الآن إكمال التجارب التي كانت ستستغرق سنوات في ساعات ، ويمكن إجراء ملايين التجارب في وقت واحد ، مما يؤدي إلى تسريع البحث حول كيفية معالجة الدماغ للمعلومات وكيفية عمل الذكاء.

قال تولياس: "نحن نحاول فتح الصندوق الأسود وفهم الدماغ على مستوى الخلايا العصبية الفردية أو مجموعات الخلايا العصبية ، وكيف تعمل معا لتشفير المعلومات". ”

في الواقع ، ولدت النماذج الجديدة رؤى جديدة. في دراسة أخرى ذات صلة ، نشرت أيضا في مجلة Nature ، استخدم الباحثون التوائم الرقمية لاستكشاف كيفية اختيار الخلايا العصبية في القشرة البصرية للخلايا العصبية الأخرى التي تتصل بها.

لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن الخلايا العصبية المماثلة تميل إلى إجراء اتصالات ، تماما كما يبني الناس صداقات. ما تكشفه التوائم الرقمية حول أوجه التشابه الأكثر أهمية. من المرجح أن تقيم الخلايا العصبية اتصالات مع الخلايا العصبية التي تستجيب لنفس المنبه ، مثل اللون الأزرق ، من الخلايا العصبية التي تستجيب لنفس المنطقة البصرية المكانية.

قال تولياس: "إنه مثل شخص يختار الأصدقاء بناء على تفضيلاتهم بدلا من مكان وجودهم". "لقد تعلمنا قواعد أكثر دقة لكيفية تنظيم الدماغ."

يخطط الباحثون لتوسيع نموذجهم ليشمل مناطق الدماغ الأخرى وكذلك ذات القدرات المعرفية الأكثر تقدما ، بما في ذلك الرئيسيات.

قال تولياس: "في النهاية ، أعتقد أنه سيكون من الممكن بناء توأم رقمي على الأقل لجزء من الدماغ البشري". "وهذا مجرد غيض من فيض."

編譯自 / ScitechDaily