Kaip fantastiniai kompiuteriniai žaidimai padeda mokslui

Jei kas nors jums vis dar priekaištauja dėl kompiuteriniams žaidimams švaistomo laiko, parodykite jiems EyeWire! Šiame fantastiškame piliečių mokslo žaidime tokie žaidėjai, kaip Jūs, revoliucionuoja neuromokslą!

Neįtikėtina, tačiau apie savo smegenis iš tiesų žinome labai mažai. Spėjama, jog žmogaus smegenyse yra apie 80 milijardų nervinių ląstelių – neuronų. Tačiau kokios jos, ir kiek skirtingų rūšių jų apskritai egzistuoja, iki galo dar neištyrė niekas. O ir neuronų skaičius toli gražu ne vienintelis smegenų funkcijas lemiantis faktorius. Labai didelę reikšmę turi nervinės jungtys, bei kaip ir kur jos susidaro. Manoma, jog žmogaus smegenyse yra bent 100 trilijonų jungčių!

Iš tiesų, tai sunkiai suvokiami skaičiai. 100 trilijonų nervinių jungčių (sinapsių) – tai tūkstantį kartų daugiau, nei mūsų galaktikoje yra žvaigždžių! O kiekviena nervinė jungtis, ir apskritai visas sudėtingas neuronų tinklas mūsų smegenyse ir lemia smegenų veiklą, kokie esame, kaip mąstome, elgiamės, kaip atsimename mums svarbius žmones ir įvykius, ką sapnuojame…

Nesunku įsivaizduoti, jog bet kokiai mokslinei laboratorijai sukurti pilną smegenų neuronų žemėlapį – tiesiog neįmanoma užduotis. O kompiuteriniams algoritmams dar reikia nemažai „pasitreniruoti“, kad šį, itin didelio tikslumo reikalaujantį darbą, galėtų atlikti patikimai. Vis dėl to, 2012-aisiais, tuo metu Masačusetso technikos universiteto mokslininkas Sebastian Seung ėmėsi spręsti abi šias užduotis. Tačiau ne vienas.

Seung laboratorijos sukurtas žaidimas EyeWire tapo pirmuoju tokio lygio piliečių mokslo žaidimu, „miniai“ patikėjęs sudėtingą neuromokslo sritį. Tačiau nepaisant to, jog atkurti neuronų 3D žemėlapį – išties nelengva, žaidimas ją pavertė įdomiais erdviniais galvosūkiais, į kuriuos lengva įsitraukti. Nuo 2012-ųjų šį žaidimą jau išbandė per pusę milijono piliečių mokslininkų! O jokio specialaus išsilavinimo žaidimui žaisti tikrai nereikia.

EyeWire žaidėjo užduotis – viename žaidimo „kubelyje“, sudarytame iš elektroniniu mikroskopu darytų neurono nuotraukų, nustatyti kur driekiasi vienas neuronas. Vienas kubelis yra apie 4,5 mikronų storio – tai dešimt kartų plonesnis už žmogaus plauką. Šiuos kubelius žaidėjams, kartu su daugiau mažiau nuspėta neurono struktūra, pateikia algoritmas. Žaidėjui lieka tiksliai nustatyti, kur prasideda ir kur baigiasi viena ląstelė, taip kubelis po kubelio atkuriant vieno neurono struktūrą ir jo jungtis su kitomis ląstelėmis.

Vieną kubelį visuomet peržiūri daugiau nei vienas žaidėjas, todėl galima tikėtis itin tikslių rezultatų. O tai, kaip žmogaus akis interpretuoja mikroskopu darytas nuotraukas, padeda apmokyti ir kompiuterinius algoritmus, kuriamus Seung laboratorijoje. Taigi ir jie šią užduotį atlieka vis tiksliau, ir galbūt netolimoje ateityje galės greitai išspręsti visus smegenų erdvinius galvosūkius. Tačiau kol kas, dėl tokios gausybės neuronų ir jų jungčių, šis procesas dar tik prasideda.

Jau septynerius metus EyeWire žaidėjai analizuoja duomenis iš to paties, dar 2009-aisiais paimto pelės tinklainės mėginio. Iš to kilęs ir žaidimo pavadinimas – „eye wire“, t. y. „akies tinklas“. Neįtikėtina, tačiau net šiame mažyčiame tinklainės gabalėlyje yra tiek neuronų, jog jie pilnai neišanalizuoti iki šiol. Ką jau kalbėti apie visą nervų sistemą, ir ypač galvos smegenis.

Tačiau net ir toks nedidelis mėginys EyeWire žaidėjams ir žaidimo kūrėjams jau padėjo padaryti nepaprastų atradimų. Iki šiol, padedant žaidėjams, buvo atrastos net šešios naujos neuronų rūšys! Jų 3D modeliai, kartu su kitais atkurtais nuostabiais erdviniais neuronų ir jų tinklo modeliais puikuojasi naujai sukurtame EyeWirevirtualiame muziejuje

Ir tai – tik pradžia. Mokslininkai mano, jog tinklainėje yra 50 – 60 skirtingų neuronų rūšių. Tačiau tik dalis jų visiškai apibūdinti, neaiškios daugumos jų funkcijos.

Tinklainė – labai svarbi nervų sistemos dalis, atsakinga už regėjimą. Šviesa iš regimojo lauko visų pirma pereina kitus akis audinius, ir regimasis vaizdas perduodamas tinklainei. Iš čia į centrinę nervų sistemą siunčiami biocheminiai ir nerviniai signalai, lemiantys regimosos aplinkos suvokimą.

Padedant EyeWire žaidėjams, jau pavyko atsakyti ir daug metų mokslininkams ramybės nedavusį klausimą apie regėjimą – kaip žinduoliai suvokia, kuria kryptimi juda kūnas. Šis atradimas 2014-aisiais išspausdintas prestižiniame „Nature“ žurnale. Prie jo autorių sąrašo pridėti ir visi žaidėjai, sprendę šį atradimą padaryti padėjusius žaidimo kubelius!

Nors krypties suvokimas (angl., „directional sensitivity“) iš pažiūros įprastas ir niekuo neypatingas gebėjimas, mokslininkams jau per 50 metų niekaip nesisekė jo paaiškinti. Seung laboratorijos mokslininkai, panaudodami piliečių mokslą, pagaliau atrado, jog už jį atsakingi kelių skirtingų tipų tinklainės neuronai. Tačiau svarbu ne tik, kokie neuronai priima ir perduoda šiuos signalus, tačiau ir tai, kaip jie jungiasi.

Pasirodo, už krypties suvokimą atsakingoje sistemoje, prie vieno pagrindinio „starburst“ neurono yra prisijungusios dar keturios ląstelės. Jos labai panašios, tačiau skiriasi jose perduodamo nervinio impulso greitis. Be to, labai svarbus jų išsidėstymas ir jungtys su pagrindiniu „starburst“ neuronu. Dėl šių ypatybių susidarantys nerviniai signalai „starburst“ neuroną pasiekia skirtingu metu. Tai lemia iš „starburst“ neurono į centrinę nervų sistemą perduodamo signalo pobūdį, iš kurio suvokiame, kuria kryptimi juda kūnas.

Šis atradimas dar kartą patvirtino, kaip svarbu suprasti ne tik tai, kiek neuronų sudaro nervų sistemą, bei ir kokie jie, bei kaip jie jungiasi su kitais neuronais ir kokius tinklus sudaro. O kad atskleistume visas šias smegenų subtilybes, reikia neuronas po neurono detaliai išanalizuoti visą smegenų tinklą… Ne veltui žmogaus neuronų tinklai yra tokie sudėtingi, jog jų nei iš tolo atkartoti negali joks dirbtinis neuroninių tinklų algoritmas!

Vis dėl to, EyeWire žaidėjai vieną po kito sprendžia žaidimo galvosūkius ir juda šio tikslo link. Tarp aktyviausių yra ne tik milijonus taškų už teisingai išspręstus žaidimo kubelius surinkę, bet ir specialius vaidmenis turintys žaidėjai.

Pavyzdžiui, „skautai“ gali peržiūrėti kitų žaidėjų išspręstus kubelius ir pažymėti tuos, kuriuos reikėtų papildomai patikrinti. Šį rangą įgyja žaidėjai, bent 90% tikslumu sėkmingai išsprendę 500 žaidimo kubelių bei surinkę 50 000 taškų.

Dar daugiau privilegijų turi „dalgio ordino“ (angl., „Order of the Scythe“) nariai. Šie žaidėjai gali tiesiogiai panaikinti netikslius žaidimo kubelius nuo bendros neurono struktūros, juos taisyti. Taip šie „giltinės“ vaidmenį atliekantys žaidėjai padeda išvalyti duomenis ir juos patikslinti.