Chú ruồi giấm 3D trên macOS sống động nhờ bộ não thật với 23.000 neuron

DesktopFly là một dự án mã nguồn mở đầy sáng tạo, đưa một chú ruồi giấm 3D lên màn hình macOS của bạn. Điểm đặc biệt không nằm ở đồ họa mà ở phần "bộ não" — nó được điều khiển bởi mô phỏng xung thần kinh thời gian thực từ FlyWire connectome, bản đồ kết nối não bộ hoàn chỉnh của ruồi giấm. Thay vì các hành vi được lập trình sẵn, chú ruồi này sẽ tự quyết định đi lại, chải lông, ngủ hay bay trốn khỏi con trỏ dựa trên các tín hiệu thần kinh thực sự.

Dự án sử dụng dữ liệu về vị trí của 23.210 neuron soma và một mạch gồm 668 neuron với khoảng 19.000 khớp thần kinh thực để mô phỏng hoạt động của hệ thần kinh ở tần số 1kHz. Hành vi thoát hiểm không hề được viết script, mà xảy ra khi các tế bào thần kinh như LC4/LPLC2 (phát hiện va chạm) và Giant Fiber (tế bào ra lệnh thoát hiểm) thực sự "bắn" xung điện qua các khớp thần kinh thật của chúng.

Bộ não thật điều khiển cơ thể ảo

Điểm mấu chốt của DesktopFly nằm ở việc kết nối dữ liệu khoa học với mô phỏng. Trong khi cơ thể của ruồi được tạo theo thuật toán (vì FlyWire chỉ là bản đồ não, không có hình học cơ thể), hành vi lại được dẫn dắt bởi chính các tín hiệu từ mô phỏng thần kinh:

• Cất cánh thoát hiểm: Kích hoạt bởi xung thần kinh từ neuron Giant Fiber (DNp01).
• Đi bộ hay nghỉ ngơi: Được điều khiển bởi tốc độ bắn xung của neuron DNp09.
• Chuyển hướng: Dựa trên sự khác biệt tốc độ xung giữa hai bên neuron DNa01/DNa02.
• Chải lông: Kích hoạt bởi neuron DNg11.
• Bay giật lùi: Do cụm neuron MDN khởi phát.

Sự tương tác là hai chiều. Nhịp điệu của chân khi ruồi di chuyển sẽ phản hồi ngược vào các neuron cảm giác bản thể (proprioceptive) trong mạch, tạo một vòng lặp khép kín giữa "cơ thể" và "bộ não". Việc con trỏ của bạn lướt nhanh cũng kích thích các neuron cảm giác gió của ruồi.

Mô phỏng ruồi giấm trên desktop

Tương tác với môi trường desktop mà không cần quyền hạn

DesktopFly được thiết kế thông minh để không cần bất kỳ quyền truy cập đặc biệt nào. Nó nhận biết môi trường xung quanh qua các API macOS miễn phí:

• Cửa sổ như địa hình: Mép trên của cửa sổ trở thành bệ đỡ cho ruồi đậu và đi lại. Kéo cửa sổ, ruồi sẽ "cưỡi" theo; đóng cửa sổ đột ngột sẽ làm ruồi giật mình.
• Cửa sổ mới xuất hiện: Kích thích đường dẫn phát hiện va chạm, ruồi có thể tự quyết định bay tránh.
• Cú click chuột: Trở thành sự rung chấn, gây giật mình qua đường dẫn gió → Giant Fiber.
• Nhịp sinh học: Hoạt động mạnh lúc bình minh và hoàng hôn, ngủ trưa, và quiescence vào ban đêm. Ban đêm ruồi ngủ, thở chậm và sau khi thức dậy sẽ chải lông.
• Nhiệt độ máy: Vì ruồi là động vật biến nhiệt, một chiếc Mac "nóng" sẽ làm chú ruồi di chuyển nhanh hơn.

Cửa sổ não bộ tương tác cũng là một điểm nhấn. Bạn có thể xoay khối não 3D, và click vào bất kỳ vùng nào để "kích thích quang học" khoảng 60 neuron gần đó trong 400ms. Hành vi của ruồi lúc đó sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào gì mà mạng lưới thần kinh thực sự tạo ra. Click vào vùng Giant Fiber, ruồi sẽ bay mất. Click vào vùng DNg11, ruồi sẽ chải lông.

Cửa sổ não bộ tương tác

Thành thật về mô hình hóa

Tác giả dành một mục "Honesty section" để nói rõ rằng bản đồ kết nối (connectome) chỉ cung cấp hệ thống dây điện, không phải sinh lý học thực tế. Các động lực học neuron (LIF), dấu hiệu dẫn truyền thần kinh, độ trễ khớp thần kinh và cơ chế chuyển đổi cảm giác (con trỏ thành tín hiệu looming) đều là những lựa chọn mô hình hóa chuẩn được đặt trên nền đồ thị thực. Nhưng tất cả những gì diễn ra sau các neuron cảm giác — ai kết nối với ai và mạnh thế nào — hoàn toàn là dữ liệu FlyWire.

Dự án này là một ví dụ ấn tượng cho thấy dữ liệu khoa học mở có thể được biến thành những trải nghiệm công nghệ sống động và giàu tính giáo dục như thế nào. Dù bạn là nhà sinh học thần kinh, lập trình viên tò mò hay chỉ đơn giản muốn có một "thú cưng" kỳ lạ trên màn hình, DesktopFly chắc chắn là một dự án đáng để khám phá và góp phần phát triển.

Mã nguồn được phát hành theo giấy phép MIT, trong khi dữ liệu từ FlyWire tuân theo giấy phép CC BY-NC 4.0. Bạn có thể tìm thấy dự án và hướng dẫn cài đặt chi tiết trên GitHub.