Исследования молодых ученых, которых поддерживает фонд «Интеллект», интересны и разнообразны. К примеру, кандидат биологических наук, научный сотрудник биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Анна Дьякова исследует антеннальную сенсорную систему миниатюрных насекомых размером всего 0, 2 мм. О том, почему ученые выбирают насекомых и чем именно они могут помочь в развитии и искусственного интеллекта, читайте в интервью с Анной Дьяковой.
– Анна, расскажите подробнее о вашем исследовании.
– Мы с разных сторон изучаем мозг мельчайших насекомых, точнее ту его часть, которая отвечает за обработку информации с «усиков», или, как их называют энтомологи, антенн. На антеннах у насекомых расположены чувствительные органы – грубо говоря, они антеннами и нюхают, и трогают, и слышат, чувствуют температуру, влажность, гравитацию, потоки воздуха, и много что еще. И все разнообразие информации поступает в несколько центров в мозге, где происходит ее обработка. Сейчас мы изучаем эти центры – каково их строение у насекомых разных размеров и какой объем мозга они занимают. На основе данных электронной микроскопии производится кропотливая и трудоемкая работа – воссоздание трехмерной карты нейронов и существующих между ними связей, синапсов.
– Для чего исследовать мозг миниатюрных насекомых? И почему именно насекомых, а не рептилий, к примеру?
– Объект, с которым работает наша лаборатория, уникален. Его размер позволяет в обозримые сроки выполнить сканирование мозга, хотя даже у этих крошечных насекомых размером с одноклеточную инфузорию процесс занимает несколько месяцев, а если учесть подготовку материала – более полугода. А теперь представьте, что отсканировать надо, скажем, мозг ящерицы, сколько лет или десятилетий это может занять. И это только этап получения изображений, а по ним потом необходимо воссоздать карту нейронов, которых в мозге Megaphragma viggianii всего лишь 8600, а в мозге рептилий – несколько десятков миллионов. При этом, несмотря на действительно микроскопические размеры, миниатюрные насекомые способны к крайне сложному поведению – они находят половых партнеров, а также скрытые в листьях яйца других насекомых (они их заражают), и даже умеют летать и обучаться.
– Каких насекомых вы используете для исследования?
– Мы работаем с мозгом миниатюрных Megaphragma viggianii, перепончатокрылых паразитических наездников. Их размер тела – всего лишь 0,2 мм, то есть, они размером с одноклеточных, например, амеб или инфузорий-туфелек. Паразитические наездники откладывают яйца в других насекомых. M. viggianii – яйцевой паразит, они откладывают свои яйца в спрятанные под кожицей листьев яйца небольших растительноядных насекомых, трипсов.
– Означает ли создание искусственного интеллекта на основе нейронных цепей насекомых то, что ИИ по сути будет представлять собой интеллект насекомого?
– Наверно, если когда-то получится полностью в цифровом виде воссоздать мозг насекомого – если вообще будет стоять такая задача перед научным сообществом – это можно будет сформулировать так. Сейчас такой задачи не стоит, скорее, прототипирование ведется на основе отдельных принципов, которые люди «подсматривают» у насекомых. Дело в том, что нервная система потребляет много энергии, а значит, чем эффективнее работает мозг насекомого, тем менее он энергозатратен, и тем больше шансов на выживание. Сама эволюция приводит к тому, чтобы мозг насекомых обрабатывал информацию и решал поставленные перед ним задачи максимально эффективно. На основе нервной системы насекомых уже созданы навигационные системы, системы идентификации и отслеживания объектов, системы машинного обучения и роевого интеллекта.
– Что представляет собой антеннальная сенсорная система насекомых? Чем ее изучение может помочь в создании искусственного интеллекта?
– Антеннальная сенсорная система (АСС) – термин, которым мы обозначаем все находящиеся на поверхности и внутри антенн органы чувств, связанные с ними нейроны, которые передают чувствительную информацию в мозг, а также те центры в мозге, которые эту информацию обрабатывают. У крошечных M. viggianii АСС представляет из себя сверхчувствительную микро-лабораторию размером менее 0.1 мм. Это до крайности миниатюризованная и оптимизированная, но при этом чувствительная система. Информация о принципах ее строения и работы может быть использована в разработке новых алгоритмов, связанных с категорированием и обработкой информации, а также миниатюрных сенсоров в робототехнике. При этом из-за трудоемкости и сложности подобных исследований до сих пор не существует анализа полной реконструкции АСС насекомых.
– Какими методами вы изучаете антеннальную сенсорную систему насекомых?
– Сканирование мозга проводится на двулучевом ионно-электронном микроскопе (FIB-SEM). На основе полученных изображений осуществляется реконструкция нейронов и создание их карты – коннектома. Реконструкция нейронов проводится на основе автоматической сегментации, то есть воссоздание трехмерной модели происходит программными средствами с последующим контролем человеком. Более крупные структуры мозга реконструируются вручную. Статистические анализы проводятся в программной среде R.
– На каком этапе находится ваше исследование сейчас?
– На данный момент выполнена трехмерная реконструкция и изучено строение центров обработки информации о запахах (антеннальных долей) у M. viggianii и еще 27 видов насекомых, как крупных, так и миниатюрных. Сейчас мы собираем литературные данные об антеннальных долях, чтобы выполнить масштабный анализ. Ведется работа по реконструкции нейронов АСС, а также их типированию – какие функции выполняет каждый нейрон и к какому чувствительному органу, либо центру головного мозга относится.
– Какие результаты ожидаете получить?
– Трехмерная реконструкция антеннальных долей у насекомых разных размерных классов позволит нам провести анализ, благодаря которому мы поймем основные принципы оптимизации системы восприятия и обработки информации о запахах у насекомых. Это внесет существенный вклад в понимание фундаментальных законов миниатюризации нервной системы. Также впервые для науки будет получен частичный коннектом АСС миниатюрного насекомого, на основе которого будет создана иерархическая модель чувствительной нервной цепи и описан ее возможный рабочий алгоритм.
Когда карта нейронов и нейронных связей (называемая «коннектом») будет получена и проанализирована, на ее основе будет создана модель нервной цепи, которую в перспективе можно будет использовать в прототипировании ИИ в применении к задачам категорирования, хранения и обработки сенсорных данных и принятия решений на их основе. Итогом такого прототипирования могут стать вычислительные системы, построенные на кардинально отличающихся принципах, более эффективные и потребляющие на несколько порядков меньше энергии. Принципы оптимизации и миниатюризации чувствительных систем могут также быть использованы в разработке миниатюрных сенсоров в робототехнике.