Vytvoriť počítačový model, ktorý by simuloval správanie živého tvora za každých okolností, bolo doteraz len vzdialeným snom. Až doteraz.
Biológovia v laboratóriách pravidelne využívajú červa Caenorhabditis elegans (háďatko), dlhého len 1 mm, na získanie poznatkov o rôznych témach – od embryonálneho vývoja a starnutia až po genetiku a neurobiológiu. V roku 1986 sa C. elegans stal prvým živočíchom, u ktorého bola zmapovaná celá nervová sústava. Ukázalo sa, že tento tvor obsahuje len 302 neurónov so 7,000 synaptickými spojeniami medzi nimi, čo je najmenej zo všetkých živočíchov. Vedci dúfali, že takáto mapa – konektóm – im pomôže spätne analyzovať správanie nervového systému meraním toho, ako podnet na jeden neurón ovplyvňuje ostatné. Domnievali sa, že im to umožní predpovedať správanie tvora za akýchkoľvek okolností. Ale veci sa takto nevyvíjali. Ukázalo sa, že zmerať vplyv jedného neurónu na druhý u živého tvora je nesmierne ťažké, nehovoriac o vplyve na všetkých 301 ďalších neurónov.
Odvtedy sa vďaka rôznym prelomovým objavom tento druh meraní in vivo výrazne zjednodušil. Teraz Gal Haspel z New Jersey Institute of Technology v Newarku a jeho kolegovia tvrdia, že cieľ reverzného inžinierstva celého nervového systému C. elegans je už na dosah. „C. elegans má oveľa menej neurónov a spojení medzi neurónmi, čo z neho robí skvelý východiskový bod,“ hovoria. Úspech by mal hlboké dôsledky. Umožnil by počítaču prvýkrát použiť tieto merania na simuláciu nervového systému živého organizmu – to je reverzné inžinierstvo. Poskytol by hlboký pohľad na spôsob, akým tvory spracúvajú zmyslové informácie, prijímajú rozhodnutia a ako sa učia a správajú. A vydláždilo by to cestu k reverznému inžinierstvu zložitejších mozgov, vrátane nášho vlastného, a možno by to dokonca inšpirovalo úplne nové druhy umelej inteligencie. Konektóm – anatomická mapa prepojení medzi neurónmi – nestačí na rekonštrukciu fungovania nervového systému v praxi. Je to preto, že na mape chýbajú informácie o sile synapsií a spôsobe, akým sa jednotlivé neuróny správajú. Navyše, u C. elegans dostáva každý neurón vstupy od desiatok ďalších.
Toto všetko sa dá rozobrať len pomocou podrobných a dôkladných meraní, ktoré sú nad sily bežných ľudských laboratórnych pracovníkov. To sa však zmenilo začiatkom 21. storočia, keď vedci vyvinuli súbor techník na zapínanie a vypínanie génov pomocou svetla. Takzvaná optogenetika sa dá použiť na stimuláciu neurónov svetlom a následné meranie účinkov pomocou sledovania vyžarovaného svetla. Vedci zároveň vyvinuli spôsoby, ako automatizovať merania nervovej aktivity v značne paralelných experimentoch. Vznikajú tak rozsiahle súbory údajov, ktoré môžu techniky strojového učenia využiť na rekonštrukciu pôvodného správania neurónov v širokom rozsahu podmienok. Haspel a spol. tvrdia, že tieto inovácie by mali konečne umožniť reverzné inžinierstvo nervového systému C. elegans. A dali dokopy veľké konzorcium vedcov so všetkými potrebnými zručnosťami, aby to dokázali.
Navrhujú automatizovať experimenty v masívnom meradle, aby systematicky pochopili všetky prepojenia medzi neurónmi. Optogenetika umožní výskumníkom aktivovať neuróny C. elegans svetlom a zaznamenávať reakcie v celom nervovom systéme. Pokročilá mikroskopia bude zobrazovať umiestnenie kľúčových molekúl a zároveň sledovať morfológiu neurónov v nanorozlíšení. Cieľom bude určiť, ako výstup každého neurónu závisí od aktivity každého iného neurónu, ktorý je s ním spojený. Modelovanie týchto vzájomných závislostí odhalí výpočtové pravidlá zakotvené v štruktúre nervového systému C. elegans. Cieľom tejto rozsiahlej iniciatívy je vyčerpávajúcim zmapovaním týchto funkčných prepojení medzi neurónmi spätne vytvoriť kompletnú simuláciu mozgu C. elegans. „Moderné modelovanie založené na strojovom učení by potom malo umožniť simuláciu pôsobivej škály stavov a správania mozgu C. elegans,“ hovorí tím.
Je to ambiciózny cieľ, ktorý má významné dôsledky. Mať virtuálnu verziu nervového systému C. elegans umožní rýchle a lacné testovanie hypotéz. Výskumníci môžu upravovať in-silico verzie neurónov a pozorovať simulované účinky na správanie červa. To by mohlo pomôcť pri testovaní potenciálnych liekov a génových terapií nervových porúch ešte pred pokusmi na zvieratách. „Reverzné inžinierstvo C. elegans poskytne preklad podobný Rosettskému kameňu medzi jazykom anotovaných connectómov a funkčnými vlastnosťami,“ hovorí Halpern a jeho kolegovia. V konečnom dôsledku by sa poznatky získané reverzným inžinierstvom jednoduchého nervového systému C. elegans mohli použiť na vytvorenie virtuálnych modelov zložitejších nervových systémov s konečným cieľom reprodukovať ľudský mozog v celej jeho zložitosti. To je ešte stále vzdialený sen, ktorý má však úžasný potenciál.
