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果蝇智能仿真:科研与游戏的奇妙结合

在Minecraft的虚拟世界中,一只果蝇翱翔于透明的密室中。这个密室用玻璃方块筑成,地面铺有灰色石砖,而外面则是Minecraft标志性的蔚蓝天空。那只红褐色的小果蝇在空中灵活地飞行,扇动翅膀,做出各式转向和翻转,仿佛它刚被放入环境中,仍在适应周围的世界。然而,推动这只虚拟果蝇飞行的并不是游戏中的脚本,而是一整套精细的雄性果蝇中枢神经系统的连接图谱。由166700个神经元组成的庞大系统在模拟中放电,这些神经的活动实时控制着这只果蝇的每一个动作。这款名为MaleCNS v1.0的脑图谱经过长达十年的研究,由HHMI Janelia、剑桥大学和Google Research共同完成,校对工作耗时更是达到了44人年,最近已在《Cell》期刊发表。然而,仅仅过了两天,这项成果便被应用到了游戏中。参与这一工作的并不是顶尖的科学机构,而是佐治亚理工学院的研究生Evan Smith,他的得力助手则是GPT-6 Astra。Evan Smith用不到一周的时间便将这项十年的科研成果成功转化为沙盒游戏中的仿真模块。他的探索打破了科学前沿与个人创客之间的壁垒,仅用了短短两天。Evan在分享中提到:“V1仍在开发中,得益于GPT-6 Astra完成,代码和模块即将公开。”评论区响起热烈的讨论,有人称之为果蝇版《黑客帝国》,也有人对此模拟理论深表担忧,甚至有人感叹这只果蝇的境遇,想象它是一只无法感知气味的模拟生物。前OpenAI设计师Pietro Schirano则幽默地表达:“我现在不知道,是我当初梦到了变成一只果蝇,还是我如今是一只果蝇,梦见自己是个普通人。”虽然代码尚未公开,但这件事表明,整个脑仿真的技术障碍正逐渐降低,个人项目也能实现。

此次被应用到游戏中的MaleCNS是首个完整的雄性果蝇中枢神经系统连接图。这不仅仅是一张大脑图谱,它涵盖了果蝇的中央脑、视叶,甚至是对应脊髓的腹神经索。尤其值得注意的是,颈部的神经连接在这张图中得到了完整的呈现,首次清晰展示了大脑如何指挥身体。MaleCNS分为三个区域:中央脑(绿色)、视叶(紫色)和腹神经索(蓝色),通过这次研究,科学家成功地将感官输入(如听觉、视觉、嗅觉)与动作输出连接在了一起。研究者还发现了262种雄性特有的细胞类型,以及114种在性状上存在差异的细胞类型。这些差异主要集中在高级脑区,不仅阐明了果蝇在求偶和攻击方面的性别差异,还验证了微小神经回路变化可能导致全脑级的影响。该成果中,雄性果蝇的某类神经元AOTU008在结构上表现出明显的性别差异。

这张拥有1.25亿个突触连接的脑图谱是如何实现的呢?研究人员首先将一只果蝇切成数百万片薄片逐一进行电镜扫描,接着Google利用其先进的泛洪填充网络(flood-filling networks)和PATHFINDER系统,成功将这些信息拼接还原为三维神经元形态,最终由Janelia的专家进行逐个校对和注释。十年的心血,凝聚了三家顶尖研究机构的努力,最终呈现给公众的是一个极为开放的界面:整套数据采取CC-BY协议完全开源。用户只需注册并获取token,通过简单的pip install命令和少量代码,即可将任意神经元的上下游连接数据下载到本地。

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要让这颗大脑“复活”,工程上需要进行哪些补充呢?首先是神经元的动力学模型的建立,确保每个神经元如何接收信息及放电的过程有理论依据。当前学界通用的模型是漏电积分放电模型(Leaky integrate-and-fire),这一点是关键。其次需要对果蝇的视觉神经元成功编码光源、玻璃方块和物体距离等环境亮度信息,而第三个环节则是将神经信号准确转换为游戏中的物理运动。这次的Cell论文恰好提供了完成视觉到运动的通路:从R1到R6视觉神经元,再到DNg13运动神经元,这是一条已被完全确立的视觉-运动链路。只要将接口设置正确,虚拟果蝇就能在看到前方方块时产生适当的反应。

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那么,是什么让一名硕士生仅用两天就能完成这整套全脑仿真呢?首先,得到的是完全开源的脑图谱,它提供了高精度的结构数据和可直接使用的API。其次,用以实现的强大AI编程能力通过他将数十万个神经元的连接表转化为可运行的模拟器,涉及大量复杂的接口工程,包括数据读取、网络建立和模型编写等环节。

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