Giovanni Idili von OpenWorm: Gehirn, Würmer und künstliche Intelligenz

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Stellen Sie sich vor, Sie sind eine Erfindung der Vorstellungskraft Ihres Computers. Ihr Gehirn ist eine detaillierte Computersimulation - eine künstliche Intelligenz 7 erstaunliche Websites mit den neuesten Informationen zur Programmierung künstlicher IntelligenzKünstliche Intelligenz ist noch nicht HAL aus dem Jahr 2001: Die Weltraum-Odyssee… aber wir nähern uns furchtbar. Sicher genug, eines Tages könnte es genauso ähnlich sein wie die Science-Fiction-Potboiler, die von Hollywood produziert werden ... Weiterlesen das verbindet sich mit simulierten Augen und simulierten Muskeln und simulierten Nervenenden, die mit einer simulierten Welt interagieren. Sie denken und fühlen genau so, wie Sie es jetzt tun, aber anstatt in graues Fleisch implementiert zu werden, läuft Ihr Geist auf Silizium.

Die Simulation eines ganzen menschlichen Gehirns wie dieses ist ein Ausweg, aber ein Open-Source-Projekt steht kurz vor dem Abschluss wichtiger erster Schritt, indem die Neurologie und Physiologie eines der einfachsten bekannten Tiere simuliert wird Wissenschaft. Das

OpenWorm-Team, die gerade abgeschlossen ein erfolgreicher Kickstarterist Monate von der Erstellung einer vollständigen Simulation von C entfernt. elegans, ein einfacher Nematodenwurm mit 302 Neuronen. Der simulierte Wurm schwimmt in simuliertem Wasser, reagiert auf simulierte Reize und denkt (in dem Maße, wie es ein so einfacher Organismus kann).

In diesem Interview werden wir mit Giovanni Idili, dem Mitbegründer des OpenWorm-Projekts, über ihre Arbeit in der künstlichen Intelligenz sprechen. Das OpenWorm-Team ist ein multinationales Team von Ingenieuren, die seit mehreren Jahren an der Wurmsimulation arbeiten. Sie verwenden Filesharing-Tools wie Google Drive und Dropbox, um zusammenzuarbeiten, und ihre Besprechungen werden öffentlich als Google+ Hangout gestreamt.

Die Zukunft der künstlichen Intelligenz

MUO: Hallo Giovanni! Dies ist offensichtlich ein sehr komplexes und herausforderndes Projekt. Können Sie die Fortschritte beschreiben, die Sie bisher bei der Simulation erzielt haben, und was bleibt noch zu tun? Was sind Ihrer Meinung nach die größten Herausforderungen für die Zukunft?

Giovanni: Wir haben große Fortschritte beim Wurmkörper und der Umgebung gemacht, die unsere virtuelle Petrischale darstellen werden. Wir glauben an Verkörperung, was bedeutet, dass ein Gehirn in einem Vakuum ohne a weniger interessant wäre simulierte Umgebung - die „Wurmmatrix“, wenn Sie so wollen - die das Gehirn über seine Sensorik erfahren kann Neuronen.

Aus diesem Grund haben wir zunächst viel Mühe in den Wurmkörper gesteckt. Was wir bisher haben, ist eine anatomisch genaue, unter Druck stehende Nagelhaut, die kontrahierbare Muskelzellen enthältund ist mit gelatineartiger Flüssigkeit gefüllt, um alles an Ort und Stelle zu halten. Parallel dazu haben wir daran gearbeitet, das Gehirn zum Laufen zu bringen, und wir führen derzeit die ersten Tests des gesamten C durch. elegans neuronales Netzwerk (die berühmten 302 Neuronen).

Wir nähern uns jetzt dem Punkt, an dem wir das Gehirn in den Körper einstecken und sehen können, was passiert. Dies bedeutet nicht, dass der Wurm "lebt", da er keine Organe hat und auch noch viele biologische Details fehlen, aber es wird uns ermöglichen Schließen Sie die Schleife des Motorsystems, damit wir mit dem Experimentieren und Optimieren des Gehirns und der Muskeln beginnen können, um verschiedene Arten von Würmern zu erzeugen Fortbewegung. Dies allein wird uns eine Weile beschäftigen.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Herausforderungen - Forschungsherausforderungen und technische. Forschungsherausforderungen sind diejenigen, die für jedes wissenschaftliche Unternehmen typisch sind. Sie wissen nicht, wann Sie stecken bleiben oder worauf, aber eine offensichtliche Herausforderung besteht darin, dass wir, obwohl das Gehirn abgebildet ist und die Verbindungen zwischen Neuronen bekannt sind Ich weiß immer noch nicht viel über die einzelnen Neuronen selbst und ihre Eigenschaften, was uns viel Arbeit lässt, um sie zu optimieren - machbar, aber hart und zeitaufwändig verbrauchen.

Dies ist schwierig, da das Tier sehr klein ist und es bisher unmöglich war, eine In-vivo-Bildgebung des feuernden Gehirns durchzuführen. Zum Glück, und das sind sehr aktuelle Nachrichten, Neue Techniken tauchen auf Das kann uns helfen, einige Lücken zu schließen.

In Bezug auf das Engineering gibt es viele technische Herausforderungen, aber ich würde sagen, dass die Hauptleistung die Leistung der Simulation ist. Wir führen die Simulation auf GPUs und Clustern aus, aber die Simulation nimmt immer noch viel Zeit in Anspruch. Dort gibt es viel zu tun.

Browser-Wurmsimulation

MUO: Eine der Kickstarter-Belohnungen, die Sie Ihren Unterstützern zur Verfügung gestellt haben, war der Zugriff auf eine Teilsimulation des Wurms in Ihrem Browser, einschließlich der Muskulatur. Planen Sie, diese Elemente auch im Browser verfügbar zu machen, wenn Sie mehr Simulationen durchführen (wie das Gehirn)? Wie intensiv wird die vollständige Simulation sein?

Giovanni: Ja - genau das ist die Idee. Das WormSim ist ein Fenster in die neueste verfügbare Simulation. Sobald wir einige bedeutende Fortschritte gemacht haben, wie das Einstecken eines Gehirn in die Simulation Geeks wiegen sich ein: Denkt ein Mensch schneller als ein Computer? Weiterlesen wird dies auf WormSim übertragen. Die Simulation wird ziemlich intensiv sein, aber die WormSim-Architektur ist derzeit davon entkoppelt spüren, dass wir die Simulation auf der erforderlichen Infrastruktur (GPU-Cluster usw.) ausführen und dann die speichern Ergebnisse. Diese Ergebnisse werden auf WormSim gestreamt, sodass Benutzer in der Simulation hin und her scannen, 3D-Kamerasteuerungen verwenden und auf Dinge klicken und auf Simulationsmetadaten zugreifen können.

Nächste Schritte

MUO: Da C. elegans ist erst der Anfang, nach Nematoden, was ist der nächste Schritt? Welche Herausforderungen ergeben sich zwischen dem Nematoden und einem komplexeren Organismus?

Giovanni: Richtig. Wir versuchen, unsere Technologieplanung für die Zukunft aufzubauen, und wir wollen unser Motor im Idealfall ein bisschen wie LEGOS für Computerbiologie zu sein, so dass nach C. elegans müssen wir nicht bei Null anfangen, sondern können einen komplexeren Organismus zusammenbauen, indem wir das nutzen, was wir bereits gebaut haben.

Kandidaten sind der Blutegel (10.000 Neuronen) und die Fruchtfliege oder der Larvenzebrafisch (beide etwa 100.000 Neuronen). Es geht nicht nur darum, wie viele Neuronen es gibt, sondern auch darum, wie gut ein Organismus untersucht ist. Es wird sicherlich einige Jahre dauern, bis wir überhaupt daran denken können, andere Organismen zu bekämpfen, aber wenn es eine andere Gruppe wollte Um mit einem dieser Organismen beginnen zu können, würden wir gerne alles daran setzen, um auf jede erdenkliche Weise zu helfen - alle unsere Werkzeuge sind es öffnen.

Die größte Herausforderung besteht darin, dass das Gehirn eines Organismus immer größer wird, wie eine Maus mit 75 Millionen Neuronen sind gezwungen, mit Populationen zu arbeiten, anstatt mit gut definierten neuronalen Schaltkreisen, die aus vernünftigen Mengen von bestehen Neuronen. "Closing the Loop" wird etwas kniffliger. Auch du brauchst mehr Rechenleistung 10 Möglichkeiten, Ihre CPU-Zeit für die Wissenschaft zu spenden Weiterlesen und so etwas wie das zu tun, was wir mit C versuchen. elegans, eine zellweise Simulation, die nicht auf Neuronen beschränkt ist, ist absolut undenkbar. Sobald Sie diese Makroebene erreicht haben, müssen Sie mit etwas Grobkörnigerem arbeiten. Aber es wird zweifellos passieren!

Validierung und Prüfung

MUO: Wie validieren Sie Ihre Modelle, um den Erfolg zu bestimmen, da die von Ihnen entwickelte Software sehr komplex ist und Simulationen auf vielen Ebenen umfasst? Gibt es Tests, die Sie durchführen möchten, aber noch nicht konnten?

Giovanni: Auf jeder Granularitätsstufe „testen“ wir unsere Softwarekomponenten anhand experimenteller Ergebnisse. Die experimentellen Daten sind entweder bereits öffentlich verfügbar oder stammen aus Labors, die beschließen, sie uns zu spenden. Neuronale Simulationen müssen mit experimentellen Messungen der neuronalen Aktivität übereinstimmen. Mechanische Simulationen für den Körper des Wurms und seine Umgebung müssen den Gesetzen der Physik folgen.

In ähnlicher Weise muss das Makroverhalten des simulierten Wurms (Schwimmen / Krabbeln) experimentellen Beobachtungen auf dieser Ebene folgen. Es gibt tatsächlich eine Gruppe von uns die daran arbeiten, eine unglaubliche Datenmenge vorzubereiten, für die wir quantitativ sagen können Sicher, dass unser Wurm genauso wackelt wie der echte, sobald unsere Simulation fertig ist geprüft.

Anwendungen der Forschung

MUO: Welche Anwendung dieser Art von Simulation ist für Sie am aufregendsten? Was sind die wichtigsten Anwendungen dieser Technologie für die Zukunft?

Giovanni: Wenn diese Art der Simulation validiert ist, können wir Experimente an einem Computer anstelle von lebenden Tieren durchführen. Dies hat offensichtliche Vorteile hinsichtlich der Reproduktion von Experimenten und der bloßen Anzahl von Experimenten, die durchgeführt werden können. C. elegans ist ein Modellorganismus für menschliche Krankheiten, daher sprechen wir über mögliche Bottom-up-Einblicke in Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson und Huntington, um nur einige zu nennen - und hoffentlich die Heilung in der Folge zu beschleunigen. Dieselbe Technologie könnte verwendet werden, um gesunde oder erkrankte Populationen menschlichen Gewebes zu simulieren, indem einfach verschiedene Modelle in den Motor geladen werden.

Persönlich bin ich sehr aufgeregt darüber, wie das, was wir tun, uns helfen kann, zu verstehen, wie das Gehirn in einem sehr nachvollziehbaren Maßstab funktioniert. Stellen Sie sich vor, was es bedeutet, wenn wir das Gehirn eines Wurms als eine Reihe von Parametern erfassen können mit neuen Bildgebungstechnologien zunehmend möglich werden) und die gleichen Parameter in unsere einspeisen Simulation. Das mag nach Science Fiction klingen, aber Erinnerungen wurden bereits in lebende Tiere eingepflanzt.

Was OpenWorm für Sie bedeutet

Die Technologie hinter dem OpenWorm-Projekt ist auf vielen Ebenen aufregend. Die Technologie zur Kartierung und Simulation des Gehirns ganzer Tiere hat tiefgreifende und letztendlich weltverändernde Auswirkungen auf den menschlichen Zustand.

Auf einer unmittelbareren Ebene ist die Fähigkeit, an simulierten Tieren zu experimentieren und Krankheiten akribisch zu untersuchen, Computerdetails können durchaus eine völlig neue Art von Wissenschaft ermöglichen - Experimente, die massenhaft von Computern durchgeführt werden, auf Computern. Die auf größere Organismen skalierte OpenWorm-Technologie könnte es uns ermöglichen, schwer zu erfassende Krankheiten wie Schizophrenie und Krebs auf völlig neue und aufregende Weise zu untersuchen.

Was sehen Sie, was die Menschheit mit dieser Technologie in zehn Jahren erreicht hat? Fünfzig? Lass es uns in den Kommentaren wissen! Sie können dem OpenWorm-Team unter www.openworm.org folgen