Muszki owocówki znów znalazły sposób, żeby dobrać się do waszych zapasów jedzenia? Zanim zaczniecie przeganiać owady szmatką (lub - jak tak można! - wciągać je odkurzaczem), poświęćcie chwilę, by podumać nad mocą tych maciupkich owadzich mózgów, które są w stanie przechytrzyć Was, ludzi myślących.

W czasopiśmie "Nature" pod koniec września opublikowano serię artykułów, w których opisano pierwszy kompletny konektom - czyli schematu połączeń nerwowych - całego mózgu samicy muszki owocówki (Drosophila melanogaster).

MÓZG OPISANY

Ogromny międzynarodowy zespół - którym kierowali Sebastian Seung i Mala Murthy z Princeton - opisał około 140 tys. neuronów. Badacze wskazali też, jak przebiega ponad 50 milionów połączeń między tymi komórkami. Dzięki temu ustalono, jak działają niektóre obwody w mózgu muszki (np. związane z widzeniem), a naukowcy z całego świata mogą testować działanie kolejnych sieci. W ramach badań naukowcy rozpoznali też i oznaczyli 8 tys. typów komórek nerwowych (z czego ok. połowa była dotąd nieznana).

W tej mrówczej pracy duży udział miał Krzysztof Kruk, który badania wykonywał hobbystycznie. Wielu polskich naukowców dałoby się pokroić, żeby mieć publikację w "Nature". A Krzysztof Kruk robił to, co lubił - grał w ciekawą grę z zakresu nauki obywatelskiej.

"Poświęcałem na tę pracę całe dnie przez długie miesiące i udało mi się samodzielnie zidentyfikować i oznaczyć prawie 50 tys. neuronów. A to stanowi ponad 1/3 wszystkich neuronów w mózgu muszki owocówki" - wspomina Krzysztof Kruk poproszony przez PAP o komentarz.

Jego zaangażowanie w projekt było tak ogromne, że - w odróżnieniu od innych graczy - wymieniono go z nazwiska wśród autorów publikacji w "Nature". 

"Od wielu lat borykam się z zespołem lęku uogólnionego, który objawia się u mnie m.in. lękiem przed kontaktem z ludźmi (tzw. socjofobia). W związku z tym jestem od długiego czasu bezrobotny. Przekłada się to jednak na to, że mam do dyspozycji dużo czasu, który mogę poświęcić m.in. na naukę obywatelską" - pisze w mailu współautor artykułu w “Nature”.

Badacz podkreśla, że badaniami z zakresu działania mózgu zainteresował się właśnie z powodu swoich problemów z układem nerwowym.

WAGA ODKRYCIA? WCALE NIE MUSZA

Mózg człowieka ma wprawdzie milion razy więcej neuronów niż mózg muszki owocówki, ale zanim naukowcom całkiem uda się opisać i zrozumieć, co wam wszystkim siedzi w głowie, trzeba rozpracować działanie mniejszych systemów nerwowych. A mózg owocówki to niczego sobie aparat! Owad jest przecież w stanie obserwować otoczenie, latać, nawigować, zapamiętywać informacje, podejmować decyzje, uczestniczyć w interakcjach społecznych… A to wszystko zasługa organu o średnicy niecałego 1 milimetra...

ROZPLĄTAĆ 140 TYS. KABLI

Na podręcznikowych obrazkach neurony zwykle eterycznie zawieszone są w pustce i tylko “na słowo honoru” połączone z sąsiadami. Zdajecie sobie sprawę, że to ogromne uproszczenie, żeby rysunek był zrozumiały? W rzeczywistości neurony w mózgu są lepkie, powyginane, ciasno splecione, a gdyby tego było mało - każdy jeden ma mnóstwo palczastych zakończeń, którymi splata się z dziesiątkami innych komórek.

Zaglądaliście niedawno do szuflady w swoim domu, w której trzymacie te wszystkie stare kable, które “na pewno do czegoś się przydadzą”? To teraz wyobraźcie sobie, że w pudełku o średnicy 1 mm jest 140 tys. takich kabli, a każdy z nich jest lepki i ma setki rozgałęzień. Musicie odtworzyć układ kabli i wskazać, jak się ze sobą łączą i jakie tworzą obwody. Aby to zrobić, można jednak tylko pociąć to “kablowisko” na plasterki i oglądać kolejne przekroje. Przechlapane, co?

NATURALNA INTELIGENCJA WSPOMOGŁA TĘ SZTUCZNĄ

Naukowcom z pomocą przyszła na szczęście sztuczna inteligencja, która jest w stanie ze skanów 3D mózgu sprawnie sklejać fragmenty neuronów. Algorytmom jednak - nawet przy obecnych możliwościach - ciągle daleko jeszcze do możliwości ludzkiego umysłu. Komputery popełniają wciąż tyle błędów, że trzeba ręcznie poprawiać ich pracę, a to tytaniczna robota.

Naukowcy, którzy pracowali nad konektomami różnych zwierząt, już dawno temu wpadli na pomysł, żeby poprosić o pomoc internautów. Okazało się, że na świecie jest całkiem sporo tęgich umysłów, które nie dla pieniędzy, ale z poczucia misji, z ciekawości lub z nudy, chętnie pomogą naukowcom. Naturalna inteligencja tysięcy graczy z całego świata przyspiesza więc pracę sztucznej inteligencji.

KRUK WŚRÓD ORŁÓW

I tak np. w ramach projektu EyeWire od lat chętni “rozplątują” neurony wzrokowe z mózgu myszy. Wśród najbardziej zasłużonych graczy EyeWire znalazł się Polak - Krzysztof Kruk z Kielc, który wcale nie jest zawodowym badaczem.

Kruk nie ma wykształcenia ani z zakresu neuronauki, ani bioinformatyki. Jest 40-latkiem, ukończył elektrotechnikę na Politechnice Świętokrzyskiej. Badania w zakresie konektomiki po prostu w którymś momencie zaczęły być jego hobby.

Krzysztof Kruk wspomina, że do projektu EyeWire dołączył 8 (?) lat temu po obejrzeniu wykładu Amy Sterling na TEDx, kiedy projekt już się toczył.

KOLOROWANKA W 3D

Celem gry "Eyewire" jest odtworzenie konektomu dla fragmentu siatkówki oka myszy domowej.

Jeśli włączycie się w projekt, w czarno-białym skanie 3D mózgu zobaczycie plątaninę małych kształtów. To przekrój mózgu myszy. W grze przeglądacie kolejne plasterki mózgu i oglądając je z różnych perspektyw odnajdujecie brakujące, niezauważone przez sztuczną inteligencję fragmenty danego neuronu. Kolorujecie je, a wtedy z dalszą pomocą AI stopniowo odtwarzacie cały neuron.

“Autorzy tego projektu określają, że EyeWire to kolorowanka, tylko trójwymiarowa. Od dziecka lubiłem kolorowanki i łączenie numerów, aby powstał obrazek. Kiedy więc zacząłem grać, połknąłem nie tylko przynętę, ale też haczyk, żyłkę i ciężarek” - żartuje Krzysztof Kruk. Dodaje z dumą, że dopiero niedawno zdobył w EyeWire 100 mln punktów i wyprzedził dotychczasowego lidera zestawienia wszechczasów.

AWANSE I NIUANSE

Aby bowiem gracze zaangażowali się w projekt i z chęcią do niego wracali, twórcy tego projektu pod przygotowali zadania badawcze w formie wciągającej gry rywalizacyjnej. Przewidziane są m.in. systemy rozgrywek, klasyfikacje i wyróżnienia dla najlepszych.

Współautor artykułu w “Nature” wspomina, że z czasem zaczął kreatywnie podchodzić do rozwiązywania problemów z gry - nie tylko więc wykonywał zadania zaproponowane przez twórców, ale i zaczął opracowywać własne programy i skrypty przyspieszające pracę nad opisem neuronów.

Po kilku latach najbardziej zaawansowani gracze zostali zaproszeni do pracy nad konektomem kolejnego organizmu modelowego - rybki danio pręgowanego (Zebrafish).

“W projekcie Eyewire (+Zfish) spędziłem prawie 6 lat stając się w międzyczasie jednym z najbardziej aktywnych graczy, moderatorem czatu oraz nieoficjalnym deweloperem” - wspomina Krzysztof Kruk.

W 2022 r. grupa najbardziej zaawansowanych graczy otrzymała zaproszenie do kolejnego projektu - FlyWire, który trwał od dłuższego czasu. I dopiero tu celem było odtworzenie pełnego konektomu mózgu muszki owocówki.

OCZYWIŚCIE, ŻE MUSZE OCZY

Gracze skupili się - jak dotąd - na neuronach odpowiedzialnych za widzenie. A przetwarzanie informacji wzrokowych to akurat jedno z najbardziej skomplikowanych zadań w mózgu muszki. W działanie prawego płata wzrokowego tego owada zaangażowane jest 38 tys. neuronów, a więc co czwarta komórka nerwowa w mózgu. Pracy było co niemiara.

Potem zaś trzeba było jeszcze opisać musze neurony. I tym właśnie zajął się badacz-hobbysta z Kielc. Praca badacza z Kielc przy projekcie - przy pisaniu programów i opisywaniu neuronów - była tytaniczna. Nic dziwnego więc, że główni autorzy badań włączyli go do grona współautorów publikacji.

CITIZEN SCIENCE - NAUKA W NAJCZYSTSZEJ POSTACI

“Nauką obywatelską zainteresowałem się kilkanaście lat temu, gdy dowiedziałem się o takich projektach jak Folding@Home, Foldit, czy Seti@Home. Wtedy zrozumiałem, że naukę można robić nie tylko pracując jako naukowiec zatrudniony na uczelni, czy w wielkim przedsiębiorstwie. W obecnych czasach może ją robić każdy mający dostęp do komputera i Internetu. I to wcale nie trzeba być geniuszem” - mówi.

"Nauka obywatelska ma dla mnie tę wielką zaletę, że nie wymaga dodatkowej pracy dydaktycznej czy administracyjnej. Nie trzeba pisać artykułów, prowadzić wykładów, starać się o granty, czy zajmować się jakąkolwiek dokumentacją niezwiązaną bezpośrednio z danym projektem. Pod tym względem jest to nauka w postaci chyba najczystszej z możliwych" - pisze Krzysztof Kruk.

NA SPOKOJNIE ZROZUMIEĆ UKŁAD NERWOWY

“Początkowo mój udział w takich projektach był raczej okazjonalny. Około 8 lat temu zaczęły jednak u mnie występować pierwsze objawy psychiczne i somatyczne, które później okazały się być zespołem lęku uogólnionego. Jak przystało na inżyniera, oprócz szukania pomocy u terapeutów, chciałem też poznać przyczyny i mechanizmy tych zaburzeń. Przeszukując Internet natrafiłem właśnie na wystąpienie Amy Sterling o EyeWire” - opisuje Kruk.

Ma nadzieję, że już w nieodległej przyszłości ludzie będą w stanie opisywać całe mózgi niewielkich ssaków (myszy), a wkrótce potem - mózgi naczelnych i wreszcie człowieka.

Nawet jednak jeśli za parę czy paręnaście lat przeczytacie o opisaniu pierwszego konektomu mózgu człowieka - będzie jeszcze dużo pracy do zrobienia. Trzeba będzie porównać budowę bardzo wielu ludzkich mózgów, by poznać podobieństwa i różnice w ich budowie - w tym różnice w budowie mózgów osób zdrowych i tych dotkniętych różnymi chorobami, czy to psychicznymi, czy neurologicznymi.

"Kiedy poznamy już te różnice - jeśli nie w tym, to w następnym pokoleniu - może będziemy w stanie znaleźć w pełni skuteczne lekarstwa na wszelkie tego typu choroby. A wtedy mam nadzieję, że będzie można zapobiec wielu takim osobistym dramatom, jaki mi niestety przypadł w udziale" - pisze Krzysztof Kruk.

PO CO TA PRACA

Wolontariusz jako największą nadzieję na przyspieszenie postępu w opracowaniu ogólnej sztucznej inteligencji (AGI). "Ważnym składnikiem budowy takich inteligencji będzie wzorowanie ich na pracy prawdziwych obwodów neurologicznych” - uważa badacz.

Praca zaś z coraz większymi mózgami wymaga tworzenia coraz lepszych algorytmów, które nie popełniają tylu błędów. A do tego trzeba opracować dużą bazę przykładów, na której maszyny mogłyby się uczyć - podsumowuje współautor publikacji w “Nature”.

Ludwika Tomala