Drosophila melanogaster, die gewöhnliche Fruchtfliege, ist in gewisser Weise eine einfache Kreatur. Aber in anderen ist es so komplex, dass wir, wie bei jeder Lebensform, nur an der Oberfläche kratzen, um es zu verstehen. Forscher haben mit D. melanogaster einen großen Schritt gemacht, indem sie den bisher genauesten digitalen Zwilling erstellt haben – zumindest in Bezug darauf, wie er sich bewegt und bis zu einem gewissen Grad warum.
NeuroMechFly, wie die Forscher der EPFL ihr neues Modell nennen, ist ein „morphologisch realistisches biomechanisches Modell“, das auf sorgfältigen Scans und genauer Beobachtung echter Fliegen basiert. Das Ergebnis ist ein 3D-Modell und ein Bewegungssystem, das, wenn es dazu aufgefordert wird, Dinge wie herumlaufen oder auf bestimmte Grundreize reagieren kann, ganz so wie es eine echte Fliege tun würde.
Um es klar zu sagen, dies ist keine vollständige Zell-für-Zell-Simulation, bei der wir in den letzten Jahren einige Fortschritte bei viel kleineren Mikroorganismen gesehen haben. Es simuliert weder Hunger noch Sehvermögen oder irgendwelche ausgeklügelten Verhaltensweisen – nicht einmal, wie es fliegt, sondern nur, wie es über eine Oberfläche geht und sich putzt.
Was ist daran so schwer, fragen Sie? Nun, es ist eine Sache, sich dieser Art von Bewegung oder Verhalten anzunähern und eine kleine 3D-Fliege zu machen, die sich mehr oder weniger wie eine echte bewegt. Es ist eine andere, dies bis zu einem genauen Grad in einer physikalisch simulierten Umgebung zu tun, einschließlich eines biologisch genauen Exoskeletts, Muskeln und eines neuronalen Netzwerks analog zu dem der Fliege, das sie steuert.
Um dieses sehr präzise Modell zu erstellen, begannen sie mit einem CT-Scan einer Fliege, um das morphologisch realistische 3D-Netz zu erstellen. Dann nahmen sie eine Fliege auf, die unter sehr sorgfältig kontrollierten Umständen ging, und verfolgten ihre präzisen Beinbewegungen. Sie mussten dann genau modellieren, wie diese Bewegungen den physikalisch simulierten „artikulierenden Körperteilen wie Kopf, Beinen, Flügeln, Bauchsegmenten, Rüssel, Antennen, Halftern“ entsprachen, von denen letzteres eine Art Bewegungssensororgan ist hilft beim Fliegen.
Bildnachweis: Pavan Ramdya (EPFL)
Sie zeigten, dass diese funktionierten, indem sie die präzisen Bewegungen der beobachteten Fliege in eine Simulationsumgebung brachten und sie mit der simulierten Fliege abspielten – die realen Bewegungen wurden korrekt auf die des Modells abgebildet. Dann zeigten sie, dass sie darauf aufbauend neue Gangarten und Bewegungen kreieren konnten, indem sie die Fliege schneller oder stabiler laufen ließen als das, was sie beobachtet hatten.
Bildnachweis: Pavan Ramdya (EPFL)
Nicht dass sie die Natur verbessern, sondern nur zeigen, dass die Simulation der Bewegung der Fliege sich auf andere, extremere Beispiele erstreckt. Ihr Modell war sogar robust gegen virtuelle Projektile … bis zu einem gewissen Grad, wie Sie in der Animation oben sehen können.
Diese Fallstudien haben unser Vertrauen in das Modell gestärkt. Aber wir sind am meisten daran interessiert, wenn die Simulation das Verhalten von Tieren nicht reproduziert, und weisen auf Möglichkeiten hin, das Modell zu verbessern“, sagte Pavan Ramdya von der EPFL, der die Gruppe leitet, die den Simulator (und andere) gebaut hat Drosophila-verwandte Modelle). Zu sehen, wo ihre Simulation zusammenbricht, zeigt, wo es zu tun gibt.
„NeuroMechFly kann unser Verständnis dafür erweitern, wie Verhaltensweisen aus Interaktionen zwischen komplexen neuromechanischen Systemen und ihrer physischen Umgebung entstehen“, heißt es in der Zusammenfassung des Papiers veröffentlicht letzte Woche in Nature Methods. Indem wir besser verstehen, wie und warum sich eine Fliege so bewegt, wie sie es tut, können wir auch die ihr zugrunde liegenden Systeme besser verstehen und Erkenntnisse in anderen Bereichen gewinnen (Fruchtfliegen gehören zu den am häufigsten verwendeten Versuchstieren). Und wenn wir aus irgendeinem Grund jemals eine künstliche Fliege erschaffen wollten, würden wir auf jeden Fall zuerst wissen wollen, wie sie funktioniert.
Während NeuroMechFly in gewisser Weise ein großer Fortschritt auf dem Gebiet der digitalen Lebenssimulation ist, ist es immer noch (wie seine Schöpfer als erste zugeben würden) unglaublich begrenzt und konzentriert sich ausschließlich auf bestimmte physikalische Prozesse und nicht auf die vielen anderen Aspekte des winzigen Körpers und Geist, dass machen a Drosophila a Drosophila. Sie können den Code überprüfen und vielleicht drüben beitragen GitHub oder Code Ozean.