Giovanni Idili fra OpenWorm: Hjerner, orme og kunstig intelligens

Reklame

Forestil dig, at du er et figur af din computers fantasi. Din hjerne er en detaljeret computersimulering - en kunstig intelligens 7 fantastiske websteder for at se det nyeste inden for programmering af kunstig intelligensKunstig intelligens er endnu ikke HAL fra 2001: Space Odyssey... men vi kommer forfærdeligt tæt på. Sikker nok, en dag kunne det ligne de sci-fi-potboilere, der bliver kæmpet ud af Hollywood ... Læs mere der forbindes til simulerede øjne og simulerede muskler og simulerede nerveender, som interagerer med en simuleret verden. Du tænker og føler dig nøjagtigt, som du gør nu, men i stedet for at blive implementeret i gråt kød, løber dit sind på silicium.

At simulere en hel menneskelig hjerne som denne er en veje væk, men et open source-projekt er ved at tage en vigtigt første trin ved at simulere neurologi og fysiologi af et af de enkleste dyr, der er kendt for videnskab. Det OpenWorm team, som lige er afsluttet en vellykket Kickstarter, er måneder væk fra at opbygge en komplet simulering af C. elegans, en simpel nematode orm med 302 neuroner. Den simulerede orm svømmer i simuleret vand, reagerer på simuleret stimulus og (i den grad, en sådan simpel organisme kan), tænk.

I dette interview taler vi med Giovanni Idili, medstifter af OpenWorm-projektet om deres arbejde inden for kunstig intelligens. OpenWorm-teamet er et multinationalt team af ingeniører, der har arbejdet med ormsimuleringen i flere år. De bruger fildelingsværktøjer som Google Drev og Dropbox til at samarbejde, og deres møder streames offentligt som en Google+ Hangout.

Fremtiden for kunstig intelligens

Muo: Hej Giovanni! Dette er naturligvis et meget komplekst og udfordrende projekt - kunne du beskrive de fremskridt, du har gjort med simuleringen indtil videre, og hvad er der tilbage at gøre? Hvad tror du vil være de mest betydningsfulde udfordringer fremover?

Giovanni: Vi har gjort meget fremskridt med ormen og det omgivende miljø, der repræsenterer vores virtuelle petriskål. Vi tror på en udførelsesform, hvilket betyder, at en hjerne i et vakuum ville være mindre interessant uden en simuleret miljø - "ormmatrixen", hvis du vil - som hjernen kan opleve via dens sensoriske neuroner.

Det er grunden til, at vi først begyndte at lægge en stor indsats i ormekroppen først. Hvad vi har hidtil, er en anatomisk nøjagtig, trykfarvet kutikula, der indeholder sammentrækkelige muskelceller, og er fyldt med gelatinlignende væske for at holde alt på plads. Parallelt har vi arbejdet med at få hjernen til at køre, og vi kører i øjeblikket de første test af hele C. elegans neuronalt netværk (de berømte 302 neuroner).

Vi nærmer os nu det punkt, at vi kan begynde at tilslutte hjernen til kroppen og se, hvad der sker. Dette betyder ikke, at ormen er "i live", fordi den ikke har organer, og der mangler stadig en masse biologiske detaljer, men det vil gøre det muligt for os at luk løkken på motorsystemet, så vi kan begynde at eksperimentere og finjustere hjernen og musklerne for at generere forskellige slags orme bevægelse. Dette alene holder os travlt i et stykke tid.

Der er to forskellige udfordringer - forskningsudfordringer og tekniske. Forskningsudfordringer er dem, der er typiske for enhver videnskabelig virksomhed. Du ved ikke, hvornår du kommer til at sidde fast eller hvad, men en åbenlys udfordring her er, at selvom hjernen er kortlagt og forbindelserne mellem neuroner er kendt, vi ved stadig ikke meget om de enkelte neuroner selv og deres egenskaber, hvilket efterlader os meget arbejde at gøre for at finjustere dem - gennemførligt, men hårdt og tid forbrugende.

Dette er vanskeligt, fordi dyret er meget lille, og indtil videre har det været umuligt at foretage in vivo-afbildning af skydehjernen. Heldigvis, og dette er meget nyere nyheder, nye teknikker overflader Det kan hjælpe os med at udfylde nogle af hullerne.

Med hensyn til engineering er der mange tekniske udfordringer, men jeg vil sige, at den vigtigste ville være ydelsen af ​​simuleringen. Vi kører simuleringen på GPU'er og klynger, men det tager stadig meget tid at simulere; der er meget arbejde at gøre der.

Browserormsimulering

Muo: En af de Kickstarter-belønninger, du stillede til rådighed for dine bagmænd, var adgang til en delvis simulering af ormen i din browser, inklusive muskulatur. Når du gennemfører mere af simuleringen (som hjernen), planlægger du at gøre disse elementer også tilgængelige i browseren? Hvor intensiv vil den fulde simulering være at køre?

Giovanni: Ja - det er nøjagtigt ideen. WormSim vil være et vindue i den seneste tilgængelige simulering. Når vi først har gjort nogle betydelige fremskridt, som at tilslutte en hjerne ind i simuleringen Nørder vejer ind: Tænker et menneske hurtigere end en computer? Læs mere , dette vil blive rullet ud til WormSim. Simuleringen vil være temmelig intensiv, men WormSim-arkitekturen er i øjeblikket afkoblet fra den i fornemme, at vi vil køre simuleringen på den nødvendige infrastruktur (GPU-klynger osv.) og derefter gemme resultater. Disse resultater streames til WormSim, så folk vil være i stand til at scanne frem og tilbage i simuleringen, bruge 3D-kamerakontroller og klikke på ting og få adgang til simuleringsmetadata.

Næste skridt

Muo: Siden C. elegans er bare starten, efter nematoder, hvad er det næste trin? Hvilke udfordringer opstår mellem nematoden og en mere kompleks organisme?

Giovanni: Korrekt. Vi forsøger at opbygge vores teknologiplanlægning for fremtiden, og det ønsker vi vores motor at være lidt som LEGOS til beregningsbiologi, ideelt set, så efter C. elegans, vi behøver ikke at starte fra bunden, men kan samle en mere kompleks organisme, der udnytter det, vi allerede har bygget.

Kandidater er iglen (10k neuroner) og frugtflue eller larvezebrafisken (begge omkring 100k neuroner). Det er ikke kun et spørgsmål om, hvor mange neuroner, men også hvor godt studeret en organisme er. Det vil helt sikkert være mange år, før vi endda kan tænke på at tackle andre organismer, men hvis en anden gruppe ville for at komme i gang med en af ​​disse organismer, ville vi være glade for at gå ud over at hjælpe på enhver måde, vi kan - alle vores værktøjer er åben.

Den største udfordring er, at når hjernen i en organisme bliver større og større, som en mus med sine 75 millioner neuroner, du er slags tvunget til at arbejde med populationer snarere end med veldefinerede neuronkredsløb, der består af rimelige mængder af neuroner. "At lukke loopen" bliver lidt vanskeligere. Du har også brug for mere computerkraft 10 måder at donere din CPU-tid til videnskab Læs mere , og gøre noget som det, vi forsøger med C. elegans, celle-for-celle-simulering ikke begrænset til neuroner, er helt udenkelig. Når du først kommer til det makroniveau, bliver du tvunget til at arbejde med noget mere grovkornet. Men det vil ske, uden tvivl!

Validering og test

Muo: I betragtning af, at den software, du udvikler, er meget kompleks og involverer simulering på mange niveauer, hvordan validerer du dine modeller for at bestemme succes? Er der test, du gerne vil udføre, men ikke har været i stand til endnu?

Giovanni: På hvert granularitetsniveau "tester" vi vores softwarekomponenter mod eksperimentelle resultater. De eksperimentelle data er enten allerede tilgængelige i det fri eller kommer fra laboratorier, der beslutter at donere dem til os. Neuronale simuleringer skal matche eksperimentelle målinger på neuronal aktivitet. Mekaniske simuleringer for ormens krop og dets miljø skal følge fysikkens love.

På en lignende måde skal makroopførsel af den simulerede orm (svømning / gennemsøgning) følge eksperimentelle observationer på dette niveau. Der er faktisk en gruppe af os der arbejder på at gøre en utrolig mængde data klar, så vi kvantitativt kan sige for sikker på, at vores orm vrikker det samme som den rigtige, så snart vores simulering er klar til at være testet.

Anvendelser af forskning

Muo: Hvilken anvendelse af denne form for simulering er mest spændende for dig? Hvad er de vigtigste anvendelser af denne teknologi fremover?

Giovanni: Denne form for simulering, når den valideres, kunne gøre det muligt for os at udføre eksperimenter på en computer i stedet for levende dyr. Dette har åbenlyse fordele med hensyn til reproduktion af eksperimenter og det store antal eksperimenter, der kan udføres. C. elegans er en modelorganisme for menneskelig sygdom, så vi taler om muligvis at få bottom-up indsigt i sygdomme som Alzheimers, Parkinsons og Huntingtons bare for at nævne nogle få - og forhåbentlig fremskynde kuren som en konsekvens. Den samme teknologi kan bruges til at simulere sunde eller syge populationer af humant væv blot ved at indlæse forskellige modeller i motoren.

Personligt er jeg ekstremt begejstret over, hvordan det, vi laver, kunne hjælpe os med at forstå, hvordan hjerner fungerer i en meget sporbar skala. Forestil dig hvad det betyder, hvis vi kan fange en orms hjerne som et sæt parametre (hvilket er bliver mere og mere muligt med nye billeddannelsesteknologier) og tilføj de samme parametre i vores simulering. Dette kan lyde som science fiction, men minder er allerede implanteret i levende dyr.

Hvad OpenWorm betyder for dig

Teknologien bag OpenWorm-projektet er spændende på mange niveauer. Teknologien til at kortlægge og simulere hele dyrs hjerner har dybe og til sidst verdensforandrende implikationer for den menneskelige tilstand.

På et mere øjeblikkeligt niveau er evnen til at eksperimentere på simulerede dyr og studere sygdomme i en omhyggelig, computational detaljer kan meget vel muliggøre en helt ny slags videnskab - eksperimenter udført i massevis af computere, på computere. OpenWorm-teknologien, opskaleret til større organismer, kunne give os mulighed for at studere svære at forstå sygdomme som skizofreni og kræft på helt nye og spændende måder.

Hvad ser du den menneskelige race opnå med denne teknologi om ti år? Halvtreds? Fortæl os det i kommentarerne! Du kan følge OpenWorm-teamet på www.openworm.org