Giovanni Idili van OpenWorm Hersenen, wormen en kunstmatige intelligentie

Stel je voor dat je een verzinsel bent van de verbeelding van je computer. Je brein is een gedetailleerde computersimulatie - een kunstmatige intelligentie 7 Verbazingwekkende websites om het nieuwste te zien in kunstmatige intelligentieprogrammering 7 Verbazingwekkende websites om het nieuwste te zien in kunstmatige intelligentie Programmering Kunstmatige intelligentie is nog niet HAL uit 2001: The Space Odyssey ... maar we zijn vreselijk dichtbij komen. Zeker, op een dag kan het net zo lijken op sci-fi potboilers die door Hollywood worden gekarnd ... Lees meer dat verbinding maakt met gesimuleerde ogen en gesimuleerde spieren en gesimuleerde zenuwuiteinden, die interactie hebben met een gesimuleerde wereld. Je denkt en voelt precies zoals je nu doet, maar in plaats van geïmplementeerd te worden in grijs vlees, is je geest op silicium gebaseerd.

Het simuleren van een volledig menselijk brein als dit is een goede methode, maar een open-sourceproject staat op het punt om een ​​essentiële eerste stap te zetten, door de neurologie en fysiologie te simuleren van een van de eenvoudigste dieren die de wetenschap kent. Het OpenWorm-team, dat net een succesvolle Kickstarter heeft voltooid, is maanden verwijderd van het bouwen van een complete simulatie van C. elegans, een eenvoudige nematodenworm met 302 neuronen. De gesimuleerde worm zal in gesimuleerd water zwemmen, reageren op gesimuleerde prikkels, en (in de mate dat een dergelijk eenvoudig organisme dat kan), denken.

In dit interview zullen we praten met Giovanni Idili, de mede-oprichter van het OpenWorm-project over hun werk in kunstmatige intelligentie. Het OpenWorm-team is een multinationaal team van ingenieurs, die al enkele jaren aan de wormsimulatie werken. Ze gebruiken hulpprogramma's voor het delen van bestanden, zoals Google Drive en Dropbox, en hun vergaderingen worden openbaar gestreamd als een Google+ hangout.

De toekomst van kunstmatige intelligentie

MUO: Hallo Giovanni! Dit is duidelijk een zeer complex en uitdagend project - zou je de voortgang kunnen beschrijven die je tot nu toe hebt gemaakt met de simulatie, en wat moet er nog gebeuren? Wat zijn volgens jou de belangrijkste uitdagingen voor de toekomst??

Giovanni: We hebben veel vooruitgang geboekt op het lichaam van de worm en de omgeving die onze virtuele petrischaal zal vertegenwoordigen. Wij geloven geïncarneerd, wat betekent dat een brein in een vacuüm minder interessant zou zijn zonder een gesimuleerde omgeving - de “worm matrix” als je wilt - dat het brein kan ervaren via zijn sensorische neuronen.

Dat is de reden waarom we begonnen met eerst veel moeite te doen in het lichaam van de worm. Wat we tot nu toe hebben is een anatomisch nauwkeurige, onder druk gezette cuticula die contractibele spiercellen bevat en gevuld is met gelatine-achtige vloeistof om alles op zijn plaats te houden. Tegelijkertijd hebben we gewerkt aan het draaiende houden van de hersenen, en we zijn momenteel bezig met de eerste tests van het hele C. elegans neuronale netwerk (de beroemde 302 neuronen).

We naderen nu het punt dat we de hersenen in het lichaam kunnen stoppen en kunnen zien wat er gebeurt. Dit betekent niet dat de worm is “levend”, omdat het geen organen heeft en er nog veel biologisch detail ontbreekt, maar het zal ons in staat stellen om de lus in het motorsysteem te sluiten, zodat we kunnen beginnen met het experimenteren en het aanpassen van de hersenen en spieren om verschillende soorten wormbeweging te genereren . Alleen dit zal ons een tijdje bezig houden.

Er zijn twee verschillende soorten uitdagingen: onderzoeksuitdagingen en technische uitdagingen. Onderzoeksuitdagingen zijn kenmerkend voor elke wetenschappelijke onderneming. Je weet niet wanneer je vast komt te zitten of wat, maar een voor de hand liggende uitdaging hier is dat zelfs al zijn de hersenen in kaart gebracht en de verbindingen tussen neuronen bekend zijn, we nog steeds niet veel weten over de individuele neuronen zelf en hun kenmerken, wat ons veel werk laat doen om ze te verfijnen - uitvoerbaar, maar moeilijk en tijdrovend.

Dit is moeilijk omdat het dier erg klein is en tot nu toe is het onmogelijk om in vivo beeldvorming van de schiethersenen te maken. Gelukkig, en dit is heel recent nieuws, nieuwe technieken komen aan de oppervlakte die ons kunnen helpen sommige lacunes op te vullen.

Qua techniek zijn er veel technische uitdagingen, maar ik zou zeggen dat de uitvoering van de simulatie de belangrijkste zou zijn. We voeren de simulatie uit op GPU's en clusters, maar toch kost het veel tijd om te simuleren; er is veel werk te doen.

Browser Worm-simulatie

MUO: Een van de Kickstarter-beloningen die je beschikbaar stelde voor je donateurs was toegang tot een gedeeltelijke simulatie van de worm in je browser, inclusief spieren. Wanneer je meer van de simulatie voltooit (zoals de hersenen), ben je dan van plan om die elementen ook in de browser beschikbaar te maken? Hoe intensief moet de volledige simulatie worden uitgevoerd?

Giovanni: Ja - dit is precies het idee. De WormSim zal een venster zijn naar de nieuwste beschikbare simulatie. Als we eenmaal een aanzienlijke vooruitgang hebben geboekt, zoals een hersens in de simulatie stoppen, denkt Geeks Weigh In: denkt een mens sneller dan een computer? Geeks wegen in: denkt een mens sneller dan een computer? Lees Meer, dit zal worden uitgerold naar de WormSim. De simulatie zal behoorlijk intensief zijn, maar de WormSim-architectuur is op dit moment ontkoppeld van die, in die zin dat we de simulatie op de noodzakelijke infrastructuur (GPU-clusters, enz.) Zullen uitvoeren en de resultaten vervolgens zullen opslaan. Deze resultaten zullen worden gestreamd naar de WormSim, zodat mensen in staat zijn om heen en weer te scannen in de simulatie, gebruik de bedieningselementen van de 3D-camera en klik op dingen en toegang tot metadata van simulatie.

Volgende stappen

MUO: Omdat C. elegans slechts het begin is, na nematoden, wat is de volgende stap? Welke uitdagingen ontstaan ​​tussen de nematoden en een complexer organisme?

Giovanni: Correct. We proberen onze technologieplanning voor de toekomst uit te bouwen, en we willen dat onze engine een beetje lijkt op LEGOS voor computationele biologie, idealiter, zodat we na C. elegans niet van nul hoeven te beginnen, maar een meer kunnen samenstellen een complex organisme dat gebruik maakt van wat we al hebben gebouwd.

Kandidaten zijn de bloedzuiger (10k neuronen) en de fruitvlieg of de larvale zebravis (beide rond 100k neuronen). Het is niet alleen een kwestie van hoeveel neuronen, maar ook hoe goed bestudeerd een organisme is. Het zal zeker een behoorlijk aantal jaren duren voordat we zelfs kunnen denken om andere organismen aan te pakken, maar als een andere groep aan de slag wilde gaan met een van die organismen, doen we er alles aan om te helpen op welke manier dan ook. - al onze tools zijn open.

De grootste uitdaging is dat naarmate de hersenen van een organisme groter en groter worden, zoals een muis met zijn 75 miljoen neuronen, je gedwongen wordt om met populaties te werken in plaats van met goed gedefinieerde neuronale circuits bestaande uit redelijke hoeveelheden neuronen.. “Het sluiten van de lus” wordt een beetje lastiger. Ook heb je meer rekenkracht nodig 10 manieren om je CPU-tijd te schenken aan de wetenschap 10 manieren om je CPU-tijd aan de wetenschap te geven Lees meer en iets te doen zoals we proberen met C. elegans, cel voor cel simulatie niet beperkt tot neuronen , is ronduit ondenkbaar. Als je eenmaal op dat macroniveau bent, ben je gedwongen om met iets grovere korrels te werken. Maar het gaat gebeuren, zonder twijfel!

Validatie en testen

MUO: Aangezien de software die u ontwikkelt zeer complex is en op veel niveaus simulaties omvat, hoe valideert u dan uw modellen om het succes te bepalen? Zijn er tests die u graag zou willen uitvoeren, maar die u nog niet hebt kunnen uitvoeren??

Giovanni: Op elk niveau van granulariteit wij “hoofdstuk toets” onze softwarecomponenten tegen experimentele resultaten. De experimentele gegevens zijn al beschikbaar in de open lucht of zijn afkomstig van laboratoria die beslissen om het aan ons te doneren. Neuronale simulaties moeten experimentele metingen afstemmen op neuronale activiteit. Mechanische simulaties voor het lichaam van de worm en zijn omgeving moeten de wetten van de natuurkunde volgen.

Op een vergelijkbare manier zullen macro-gedragingen van de gesimuleerde worm (zwemmen / kruipen) experimentele waarnemingen op dat niveau moeten volgen. Er is in feite een groep van ons die bezig zijn een ongelooflijke hoeveelheid gegevens klaar te maken, zodat we kwantitatief kunnen zeggen dat onze worm hetzelfde is als de echte, zodra onze simulatie klaar is om getest te worden.

Toepassingen van onderzoek

MUO: Welke toepassing van dit soort simulatie is het meest opwindend voor jou? Wat zijn de belangrijkste toepassingen van deze technologie in de toekomst?

Giovanni: Dit soort simulatie, indien gevalideerd, kan ons in staat stellen experimenten op een computer uit te voeren in plaats van levende dieren. Dit heeft duidelijke voordelen in termen van reproductie-experimenten en het enorme aantal experimenten dat kan worden uitgevoerd. C. elegans is een modelorganisme voor ziekten bij de mens, dus we hebben het misschien over het verkrijgen van een bottom-up inzicht in ziekten zoals Alzheimer, Parkinson en Huntington, om er maar een paar te noemen - en hopelijk versnelt het de remedie als gevolg. Dezelfde technologie kan worden gebruikt om gezonde of zieke populaties van menselijke weefsels te simuleren door alleen verschillende modellen in de motor te laden.

Persoonlijk ben ik erg opgewonden over hoe onze activiteiten ons kunnen helpen begrijpen hoe hersenen werken op een zeer handelbare schaal. Stelt u zich eens voor wat het betekent als we de hersenen van een worm kunnen vastleggen als een reeks parameters (die steeds beter mogelijk wordt met nieuwe beeldvormingstechnologieën) en diezelfde parameters in onze simulatie kunnen invoeren. Dit klinkt misschien als science fiction, maar herinneringen zijn al geïmplanteerd in levende dieren.

Wat OpenWorm voor u betekent

De technologie achter het OpenWorm-project is op veel niveaus spannend. De technologie om de hersenen van hele dieren in kaart te brengen en te simuleren heeft ingrijpende en uiteindelijk wereldveranderende implicaties voor de menselijke conditie.

Op een directer niveau kan het vermogen om te experimenteren met gesimuleerde dieren en ziekten te bestuderen in nauwgezette, computationele details een heel nieuw soort wetenschap mogelijk maken - experimenten die massaal door computers of op computers worden uitgevoerd. De technologie van OpenWorm, opgeschaald naar grotere organismen, zou ons in staat kunnen stellen om moeilijk te begrijpen ziekten zoals schizofrenie en kanker op geheel nieuwe en opwindende manieren te bestuderen.

Wat zie je het menselijk ras bereiken met deze technologie in tien jaar? Vijftig? Laat het ons weten in de reacties! U kunt het OpenWorm-team volgen op www.openworm.org

Ontdek meer over: Geeky Science.