封面新聞記者 邊雪
最近，一段只有幾十秒的視頻在神經科學和人工智慧研究者之間迅速傳播。畫面中，一隻果蠅在虛擬環境中緩慢移動：它在空氣中停頓、轉向，隨後停下來用前足梳理觸角上的「灰塵」，接著繼續向前，最終停在一片「香蕉」旁開始進食。
這並非動畫，也不是遊戲模擬，而是一隻由神經連接數據驅動的「具身化虛擬果蠅」。
這一項目來自美國公司 eon systems pbc。近日，公司聯合創始人兼創始顧問 alex wissner-gross 在社交平台 x 上分享了團隊在「x項目」（project x）中的階段性成果。當地時間3月10日，團隊發布了一篇較為詳細的技術說明，解釋虛擬果蠅的工作機制以及當前模型的局限。
在說明中，研究團隊指出，這隻虛擬果蠅仍處於早期開發階段，其目的並不是復刻一個完整的生命體，而是探索一個更基礎的問題：如果掌握了完整的神經連接結構，是否可以在計算機中重建一個能夠感知、決策並行動的生命系統？
14萬個神經元的「虛擬大腦」
要讓一隻果蠅在計算機中「活起來」，首先需要的是大腦。
研究團隊使用的是 philip k. shiu等人在2024年提出的果蠅中樞腦模型。該模型基於成年果蠅的連接組數據構建，包含約 14萬個神經元和約5000萬個突觸連接。在模型中，每個神經元通過一種被稱為「漏泄-整合-發放」（lif）的簡化動力學規則運行，並根據推斷得到的神經遞質屬性決定突觸信號的正負作用。
這種模型並不是對真實神經元結構的完全復刻，而是一種計算效率更高的抽象表示。但研究表明，僅憑神經連接結構本身，模型已經能夠恢復部分感覺—運動行為的基本模式，例如進食和梳理等反應。
這一大腦模型依賴於近年來神經科學領域的重要基礎設施flywire 項目。該項目通過電子顯微鏡重建了果蠅大腦的完整神經連接網路，並建立了包含14萬多個神經元的全腦資料庫。研究團隊正是在這一數據基礎上構建了大腦模型。
與此同時，研究人員還引入了 lappalainen 等人提出的視覺模型。該模型是一個由連接組約束的循環神經網路，覆蓋64種視覺細胞類型，並能夠預測視覺運動通路中的神經活動。通過這一系統，虛擬果蠅可以接收來自環境的視覺刺激信號。
但大腦只是整個系統的一部分，如果沒有身體，神經信號就無法轉化為行為。
當大腦遇到「機械身體」
為了讓大腦產生行動，研究團隊使用了此前發表的神經機械果蠅體模型neuromechfly。
在這個系統中，果蠅被建模為一個具有真實解剖結構的三維實體。研究人員利用對真實果蠅進行 x 射線顯微斷層掃描得到的數據構建了數字身體，並在其中設置了 87個可運動關節。每個關節的運動都受到物理規則約束，包括力、接觸和關節運動範圍等。
整個身體運行在 mujoco 物理引擎中，這是一種廣泛用於機器人和運動模擬的高保真物理環境。研究人員將大腦模型與這一虛擬身體連接起來，形成一個完整的感知—行動循環。
在系統運行過程中，每 15毫秒 完成一次同步步驟：虛擬環境產生感覺輸入，大腦模型根據這些輸入更新神經活動，隨後通過下行神經元輸出運動信號，身體執行動作並改變環境，新的感覺信息再被反饋回大腦。
通過這種方式，虛擬果蠅能夠在環境中移動、轉向並與物體互動。
不過，在真實生物中，大腦並不會直接控制每一塊肌肉，而是通過一類被稱為 下行神經元（descending neurons） 的神經細胞將指令發送到身體。研究團隊在模型中也採用了類似策略。
他們並沒有模擬完整的運動神經系統，而是選擇了一些已經被實驗驗證具有明確行為功能的下行神經元作為控制介面。例如，神經元 dna01 和 dna02 與轉向行為有關，odn1 影響前進速度，而與喙部相關的運動神經元則參與進食行為。
這些神經元的活動被轉化為少量控制信號，再由底層控制器將其轉換為具體的身體動作。研究人員用一個簡單的比喻來解釋這一機制：如果知道方向盤、油門和剎車的位置，就可以預測汽車的行駛軌跡，而不需要模擬發動機內部的每一次燃燒。
一隻仍在成長中的「數字生命」
在當前系統中，研究人員已經實現了幾種典型行為。中之一是梳理行為。在真實果蠅中，當觸角上積累灰塵或受到刺激時，會通過機械感覺神經元觸發特定神經迴路，使果蠅用前足清理觸角。在模型中，研究人員設置了「虛擬灰塵」，當灰塵積累到一定程度時，觸角機械感覺神經元被激活，從而觸發梳理動作。
另一種行為是 進食反應。果蠅的腿和喙上存在味覺受體神經元，當這些神經元感知到糖等刺激時，會激活大腦中的攝食迴路。在虛擬環境中，當果蠅接觸到模擬的糖源時，也會產生類似反應。
研究團隊還設置了簡單的 覓食任務。在環境中放置氣味或味道信號源後，虛擬果蠅會在環境中移動，一旦檢測到食物信號，就會朝著食物方向移動。
此外，模型還能夠模擬一種潛在的 威脅視覺刺激——例如一個在視野中迅速擴大的黑色物體。在真實果蠅中，這種刺激通常會觸發逃避反應。研究人員已經能夠在模型中激活相關神經元，但完整的逃避行為尚未實現。
儘管這些行為已經能夠展示基本的「感覺—運動」循環，但研究團隊反覆強調，這一模型仍然存在明顯局限。首先，大腦模型仍然是簡化的神經元模型。它並沒有包含真實神經元複雜的樹突結構、離子通道以及許多生物物理動力學過程。其次，許多重要的內部狀態因素例如飢餓、激素變化，在當前模型中都沒有被納入。
與此同時，腦—體介面仍然是一個複雜的工程問題。研究人員需要決定神經元放電頻率究竟如何映射為關節運動或轉向速度，而目前這些映射關係在很大程度上仍依賴經驗設定。
真實果蠅擁有超過1000個下行神經元，形成複雜的控制網路，而當前模型只使用了其中極少的一部分。因此，雖然虛擬果蠅可以表現出可識別的行為，但其控制維度仍遠低於真實生物。
在研究團隊看來，這隻具身化的虛擬果蠅不應被理解為一個完整的生命模擬，而更像是一個研究平台。通過將神經連接圖譜、大腦模型與物理身體結合，科學家可以在計算機中測試神經結構與行為之間的關係，並探索未來更複雜的腦—體模擬系統。
【如果您有新聞線索，歡迎向我們報料，一經採納有費用酬謝。報料微信關註：ihxdsb，報料qq：3386405712】
