The embodied brain: Bridging the brain, body, and behavior with biorealistic neuromechanical models
Dit artikel beoordeelt de vooruitgang in biorealistische neuromonische modellen die neurale controllers integreren met simulaties van het lichaam en de omgeving, waarbij het nut ervan wordt aangetoond voor het afleiden van onmeetbare biofysische variabelen, het genereren van toetsbare hypothesen en het bevorderen van interdisciplinaire samenwerking binnen de neurowetenschappen, robotica en de gezondheidszorg.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Stel je voor dat je probeert te begrijpen hoe een auto rijdt door alleen naar de handen van de bestuurder aan het stuur te kijken. Je zou kunnen raden dat ze aan het draaien zijn, maar je zou het gebrul van de motor missen, de wrijving van de banden op de weg, en de manier waarop het gewicht van de auto verschuift in een bocht. Lange tijd werden wetenschappers die diergedrag bestuderen geconfronteerd met een vergelijkbaar probleem: ze konden een dier zien bewegen of wat hersenactiviteit registreren, maar ze konden de onzichtbare krachten binnen het lichaam of de complexe lus van signalen tussen de hersenen, de spieren en de wereld niet gemakkelijk zien. Dit vakgebied, bekend als de neurowetenschap, probeert het mysterie op te lossen van hoe de hersenen beweging aansturen. Het grote idee is dat je de "software" (de hersenen) niet kunt begrijpen zonder de "hardware" (het lichaam) en de "omgeving" (de wereld waarin het leeft) te begrijpen. Als je wilt weten waarom een vlieg op een muur landt of een vis wegschrikt voor een schaduw, moet je naar het hele systeem kijken dat samenwerkt, en niet alleen naar de hersenen in isolatie.
Dit artikel introduceert een krachtige nieuwe manier om dat puzzelstukje op te lossen met behulp van "biorealistische neuromecanische modellen". Denk aan deze modellen als ongelooflijk gedetailleerde, digitale tweelingen van dieren die leven in een videogame. Maar in plaats van er alleen maar gaaf uit te zien, hebben deze digitale dieren echte natuurkunde: ze hebben botten, spieren en zenuwen die werken net als het echte ding. De auteurs leggen uit hoe wetenschappers nu een virtueel dier kunnen bouwen, het dezelfde sensorische informatie kunnen voeren die een echt dier krijgt, en het in een gesimuleerde wereld kan zien bewegen. De magie gebeurt omdat je, in tegenstelling tot een echt dier, deze digitale tweeling kunt pauzeren, in de "hersenen" kunt kijken om elke individuele neuron te zien vuren, en zelfs lichaamsdelen onderweg kunt veranderen om te zien wat er gebeurt.
Het artikel suggereert dat deze modellen een gamechanger zijn om twee belangrijke redenen. Ten eerste fungeren ze als een tijdmachine voor onzichtbare data. Als een wetenschapper een echt dier ziet lopen maar de minuscule krachten in de spieren niet kan meten, kan hij die wandeling "afspelen" in het digitale model. De computer berekent dan welke verborgen krachten nodig waren om die beweging te laten plaatsvinden, waardoor de gaten in het experiment effectief worden opgevuld. Ten tweede zijn deze modellen een veilige speeltuin voor "wat als"-vragen. Wetenschappers kunnen wilde ideeën testen, zoals: "Wat als deze specifieke zenuw niet vuurde?" of "Wat als het been van het dier twee keer zo zwaar was?", zonder een enkel echt wezen pijn te doen. De auteurs laten zien dat we door deze digitale lichamen te combineren met kunstmatige intelligentie, eindelijk theorieën kunnen testen over hoe de hersenen beweging aansturen in een gesloten lus, waarbij de reactie van het lichaam bepaalt wat de hersenen vervolgens doen.
De paper merkt echter voorzichtig op dat dit nog steeds simulaties zijn. Ze zijn nog geen perfecte kopieën van de werkelijkheid, maar hulpmiddelen die ons helpen te gissen en te testen. De auteurs stellen dat hoewel we nog niet elk atoom in een lichaam kunnen simuleren, deze modellen steeds beter worden in het overbruggen van de kloof tussen wat we kunnen meten en wat we moeten weten. Ze suggereren dat de toekomst van de neurowetenschap ligt in het mengen van echte experimenten met deze digitale surrogaatmodellen, waarbij de computer wordt gebruikt om de volgende stap in het laboratorium te begeleiden. Het is een beetje alsof je een co-piloot hebt die een miljoen testvluchten kan uitvoeren in een simulator om de echte piloot te helpen bij het navigeren door een storm. Door de hersenen, het lichaam en de omgeving als één verbonden team te behandelen, bieden deze modellen een nieuwe manier om de code te kraken van hoe we bewegen, voelen en met de wereld om ons heen interageren.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.