Sama seperti juruterbang menggunakan simulator penerbangan untuk mengamalkan manuver kompleks dengan selamat, saintis mungkin tidak lama lagi bereksperimen dengan simulasi otak tikus yang sangat realistik. Dalam kajian baharu, penyelidik di Sekolah Perubatan Stanford dan kolaborator mereka telah membangunkan model kecerdasan buatan untuk mencipta "kembar digital" korteks visual tetikus, kawasan otak yang bertanggungjawab untuk memproses maklumat visual.

Kembar digital ini dilatih pada set data aktiviti saraf yang dirakam oleh sebilangan besar tikus sebenar semasa menonton klip filem. Setelah dilatih, ia boleh meramalkan dengan tepat bagaimana puluhan ribu neuron akan bertindak balas terhadap imej dan video baharu. Kembar digital boleh menjadikannya lebih mudah dan lebih cekap untuk mengkaji kerja dalaman otak.

"Jika anda membina model otak yang sangat tepat, itu bermakna lebih banyak eksperimen boleh dilakukan," kata Dr. Andreas Tolias, seorang profesor oftalmologi di Universiti Stanford dan pengarang kanan kajian itu, yang diterbitkan dalam jurnal Nature on 100. "Model yang paling menjanjikan kemudiannya boleh diuji dalam otak sebenar."

Pengarang utama kajian itu ialah Dr. Eric Wang, seorang pelajar perubatan di Kolej Perubatan Baylor.

Tidak seperti model AI korteks visual sebelumnya, yang hanya boleh mensimulasikan tindak balas otak terhadap jenis rangsangan yang dilihat dalam data latihan, model baharu meramalkan tindak balas otak terhadap pelbagai input visual baharu. Ia juga boleh membuat kesimpulan ciri-ciri anatomi setiap neuron.

Model baharu ialah contoh model asas, iaitu model AI yang agak baharu yang dapat belajar daripada set data yang besar dan kemudian menggunakan pengetahuan itu pada tugas baharu dan jenis data baharu – atau apa yang disebut oleh penyelidik "generalisasi di luar pengedaran latihan." (ChatGPT ialah paradigma biasa model asas yang belajar daripada sejumlah besar teks dan kemudian memahami dan menjana teks baharu.) ）

"Dalam banyak cara, benih kebijaksanaan terletak pada keupayaan untuk menyamaratakan," kata Torias, "dan matlamat utama adalah untuk dapat menyamaratakan di luar pengedaran latihan." ”

Untuk melatih model AI baharu, para penyelidik mula-mula merekodkan aktiviti otak tikus sebenar semasa menonton filem (filem yang dibuat untuk manusia). Sebaik-baiknya, filem-filem ini akan dapat menganggarkan apa yang dilihat tikus dalam persekitaran semula jadi mereka.

"Sangat sukar untuk membuat filem realistik tentang tikus kerana tiada siapa di Hollywood yang akan membuat filem tikus," kata Tolias. Filem aksi cukup dekat, walaupun.

Kembar digital boleh membantu saintis mengkaji kerja dalaman otak. Kredit foto: Emily Moskal/Sekolah Perubatan Stanford

Tikus mempunyai resolusi visual yang lebih rendah – serupa dengan penglihatan periferal kita, yang bermaksud mereka terutamanya melihat gerakan dan bukannya butiran atau warna. "Tikus suka pergerakan, yang mengaktifkan sistem visual mereka dengan kuat, jadi kami menunjukkan kepada mereka filem dengan banyak pergerakan," kata Tolias.

Sepanjang beberapa sesi tontonan pendek, para penyelidik merekodkan aktiviti otak dalam lapan tikus selama lebih daripada 900 minit sambil menonton klip filem aksi seperti Mad Max. Kamera memantau pergerakan dan tingkah laku mata mereka.

Para penyelidik melatih model teras dengan data agregat, dan kemudian selepas beberapa latihan tambahan, model itu boleh disesuaikan sebagai kembar digital mana-mana tetikus individu.

Kembar digital ini mampu meniru aktiviti saraf rakan biologi mereka dengan tepat sebagai tindak balas kepada pelbagai rangsangan visual baharu, termasuk video dan imej pegun. Menurut Torias, sejumlah besar data latihan agregat adalah kunci kejayaan kembar digital. "Apa yang menjadikan mereka begitu tepat ialah mereka dilatih pada set data yang begitu besar."

Walaupun model baharu hanya dilatih pada aktiviti saraf, ia boleh digeneralisasikan kepada jenis data lain.

Kembar digital tetikus tertentu mampu meramalkan lokasi anatomi dan jenis sel beribu-ribu neuron dalam korteks visual, serta sambungan antara neuron ini. Para penyelidik mengesahkan ramalan ini menggunakan pengimejan mikroskop elektron resolusi tinggi bagi korteks visual tetikus. Pengimejan ini adalah sebahagian daripada projek yang lebih besar untuk memetakan struktur dan fungsi korteks visual tetikus dengan terperinci yang tidak pernah berlaku sebelum ini. Projek ini dipanggil MICrONS, dan hasilnya telah diterbitkan dalam jurnal Nature pada masa yang sama.

Memandangkan kembar digital boleh terus berfungsi selepas penghujung jangka hayat tetikus, saintis boleh melakukan bilangan eksperimen yang hampir tidak terhad pada haiwan yang sama. Eksperimen yang akan mengambil masa bertahun-tahun kini boleh disiapkan dalam beberapa jam, dan berjuta-juta eksperimen boleh dilakukan secara serentak, mempercepatkan penyelidikan tentang cara otak memproses maklumat dan cara kecerdasan berfungsi.

"Kami cuba membuka kotak hitam dan memahami otak pada tahap neuron individu atau kumpulan neuron, dan bagaimana mereka bekerjasama untuk mengekod maklumat," kata Tolias. ”

Malah, model baharu telah menjana cerapan baharu. Dalam satu lagi kajian berkaitan, juga diterbitkan dalam jurnal Nature, penyelidik menggunakan kembar digital untuk meneroka bagaimana neuron dalam korteks visual memilih neuron lain yang mereka sambungkan.

Para saintis telah lama mengetahui bahawa neuron yang serupa cenderung untuk membuat sambungan, sama seperti orang membina persahabatan. Apa yang didedahkan oleh kembar digital tentang persamaan yang paling penting. Neuron lebih cenderung untuk mewujudkan sambungan dengan neuron yang bertindak balas terhadap rangsangan yang sama, seperti biru, daripada neuron yang bertindak balas kepada kawasan visuospatial yang sama.

"Ia seperti seseorang yang memilih rakan berdasarkan keutamaan mereka dan bukannya di mana mereka berada," kata Tolias. "Kami mempelajari peraturan yang lebih tepat tentang cara otak disusun."

Para penyelidik merancang untuk mengembangkan model mereka ke kawasan otak lain serta haiwan yang mempunyai kebolehan kognitif yang lebih maju, termasuk primata.

"Akhirnya, saya percaya adalah mungkin untuk membina sekurang-kurangnya kembar digital sebahagian daripada otak manusia," kata Tolias. "Dan itu hanya puncak gunung es."

編譯自/ScitechDaily