Un geamăn digital al Drosophila

Un model digital de Drosophila melanogaster numit NeuroMechFly. Credit: Pavan Ramdya (EPFL)

Oamenii de știință de la EPFL au dezvoltat un model digital al muștei fructelor, Drosophila melanogaster, care simulează în mod realist mișcările animalului. Geamănul este un pas mare către ingineria inversă a controlului neuromecanic al comportamentului animal și dezvoltarea roboților bioinspirați.

„Am folosit două tipuri de date pentru a construi NeuroMechFly”, spune profesorul Pavan Ramdya de la Școala de Științe ale Vieții a EPFL. „În primul rând, am luat o muscă adevărată și am efectuat o scanare CT pentru a construi un model biomecanic realist din punct de vedere morfologic. Estimări pe care le-am dezvoltat în ultimii doi ani, care ne permit să urmărim cu exactitate mișcările animalului.”

Grupul lui Ramdya, în colaborare cu grupul profesorului Auke Ijspeert de la Laboratorul de Biorobotică al EPFL, a publicat un articol în Metode naturale prezentând primul „geamăn digital” precis al muștei Drosophila melanogaster, numit „NeuroMechFly”.

timpul trece

Drosophila este cea mai frecvent utilizată insectă în științele vieții și un accent pe termen lung al cercetărilor proprii ale lui Ramdya, care lucrează de ani de zile la urmărirea și modelarea digitală a acestui animal. În 2019, grupul său a lansat DeepFly3D, un software de captare a mișcării bazat pe învățarea profundă care utilizează mai multe vizualizări ale camerei pentru a cuantifica mișcările Drosophila în spațiul tridimensional.

Continuând învățarea profundă, în 2021, echipa lui Ramdya a publicat LiftPose3D, o metodă de reconstrucție a ipostazei animalelor 3D din imagini 2D luate de la o singură cameră. Aceste tipuri de descoperiri au oferit câmpurilor explozive ale neuroștiinței și roboticii inspirate de animale instrumente a căror utilitate nu poate fi exagerată.

În multe privințe, NeuroMechFly reprezintă punctul culminant al tuturor acestor eforturi. Constrâns de datele morfologice și cinematice din aceste studii anterioare, modelul are părți independente de computer care simulează diferite părți ale corpului insectei. Acesta include un exoschelet biomecanic cu părți ale corpului articulate, cum ar fi capul, picioarele, aripile, segmentele abdominale, proboscis, antene, haltere (organe care ajută musca să-și măsoare propria orientare în zbor) și „controlere” rețelei neuronale cu o ieșire motorie. .

De ce să construim un geamăn digital al Drosophila?

„De unde știm că am înțeles un sistem? spuse Ramdia. „O modalitate este să o putem recrea. Am putea încerca să construim o muscă robotică, dar este mult mai rapid și mai ușor să construim un animal simulat. Așa că una dintre principalele motivații din spatele acestei lucrări este să începem construirea unui model care să incorporeze ceea ce știm despre sistemul nervos al muștei și despre biomecanica pentru a testa dacă acest lucru este suficient pentru a explica comportamentul ei.”

„Când experimentăm, suntem adesea conduși de presupuneri”, adaugă el. “Până acum, ne-am bazat pe intuiție și logică pentru a formula ipoteze și predicții. Dar pe măsură ce neuroștiința devine din ce în ce mai complicată, ne bazăm mai mult pe modele care pot reuni multe componente împletite, le pot juca și prezice ce s-ar putea întâmpla dacă faci un ajustare aici sau acolo.”

NeuroMechFly: un geamăn digital al Drosophila

Jonathan Arreguit, Victor Lobato Rios, Auke Ijspeert, Pavan Ramdya, Shravan Tata Ramalingasetty și Gizem Özdil. Credit: Alain Herzog (EPFL)

Patul de testare

NeuroMechFly oferă un banc de testare foarte valoros pentru studiile care avansează biomecanica și biorobotica, dar numai în măsura în care reprezintă cu exactitate animalul real într-un mediu digital. Verificarea acestui lucru a fost una dintre principalele preocupări ale cercetătorilor. „Am efectuat experimente de validare care demonstrează că putem reproduce cu fidelitate comportamentele animalului real”, spune Ramdya.

Cercetătorii au făcut mai întâi măsurători 3D ale muștelor reale care se plimbă și se îngrijesc. Apoi au reluat aceste comportamente folosind exoscheletul biomecanic NeuroMechFly într-un mediu de simulare bazat pe fizică.

După cum arată în articol, modelul poate prezice de fapt diferiți parametri de mișcare care nu sunt măsurați altfel, cum ar fi cuplurile la picioare și forțele de reacție de contact cu solul. În cele din urmă, au reușit să folosească toate capacitățile neuromecanice ale NeuroMechFly pentru a descoperi rețeaua neuronală și parametrii musculari care permit muștei să „alergă” în moduri care sunt optimizate atât pentru viteză, cât și pentru stabilitate.

„Aceste studii de caz ne-au întărit încrederea în model”, spune Ramdya. „Dar suntem mai interesați de momentul în care simularea nu reușește să reproducă comportamentul animalului, indicând modalități de îmbunătățire a modelului”. Astfel, NeuroMechFly reprezintă un puternic banc de testare pentru înțelegerea modului în care comportamentele apar din interacțiunile dintre sistemele neuromecanice complexe și mediul lor fizic.

Un efort comunitar

NeuroMechFly este un proiect comunitar. Ca atare, software-ul este open source și disponibil gratuit pentru ca oamenii de știință să îl folosească și să îl modifice. „Am construit un instrument, nu doar pentru noi înșine, ci și pentru alții. Prin urmare, l-am făcut open source și modular și am oferit linii directoare despre cum să îl folosim și să îl modificam.”

„Din ce în ce mai mult, progresul științific depinde de efortul comunității”, adaugă el. „Este important ca comunitate să folosească modelul și să-l îmbunătățească. Dar unul dintre lucrurile pe care le face deja NeuroMechFly este să ridice ștacheta. Înainte, pentru că modelele nu erau foarte realiste, nu ne-am întrebat cum puteau fi informați direct. de date. . Aici am arătat cum poți face asta; poți lua acest model, poți relua comportamente și deduce informații semnificative. Așa că cred că este un mare pas înainte.”


Metodă de învățare profundă pentru a proiecta roboți asemănătoare muștelor


Mai multe informatii:
NeuroMechFly, un model neuromecanic al adultului Drosophila melanogaster, Metode naturale (2022). DOI: 10.1038/s41592-022-01466-7

Furnizat de Școala Politehnică Federală din Lausanne

Citat: NeuroMechFly: Un geamăn digital de Drosophila (11 mai 2022) preluat la 12 mai 2022 de la https://phys.org/news/2022-05-neuromechfly-digital-twin-drosophila.html

Acest document este supus dreptului de autor. Cu excepția utilizării loiale în scopuri de studiu sau cercetare privată, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este oferit doar cu titlu informativ.

Add Comment