Giovanni Idili från OpenWorm: hjärnor, maskar och artificiell intelligens

Annons

Föreställ dig att du är en bild av din dators fantasi. Din hjärna är en detaljerad datasimulering - en artificiell intelligens 7 fantastiska webbplatser för att se det senaste inom artificiell intelligens-programmeringArtificiell intelligens är ännu inte HAL från 2001: The Space Odyssey... men vi kommer hemskt nära. Visst nog, en dag kan det vara lika mycket som sci-fi-pannor som tappas ut av Hollywood ... Läs mer som ansluter till simulerade ögon och simulerade muskler och simulerade nervändar, som interagerar med en simulerad värld. Du tänker och känner exakt som du gör nu, men istället för att implementeras i grått kött, springer ditt sinne på kisel.

Att simulera en hel mänsklig hjärna som denna är en väg bort, men ett öppen källkodsprojekt är på väg att ta en viktiga första steget, genom att simulera neurologin och fysiologin hos ett av de enklaste djuren känt vetenskap. De OpenWorm-teamet, som just avslutat en framgångsrik Kickstarter, är månader borta från att bygga en komplett simulering av C. elegans, en enkel nematodmask med 302 nervceller. Den simulerade masken kommer att simma i simulerat vatten, reagera på simulerad stimulans och (till den grad en så enkel organisme kan), tänk.

I den här intervjun pratar vi med Giovanni Idili, grundare av OpenWorm-projektet om deras arbete inom konstgjord intelligens. OpenWorm-teamet är ett multinationellt team av ingenjörer som har arbetat med maskssimuleringen i flera år. De använder fildelningsverktyg som Google Drive och Dropbox för att samarbeta, och deras möten streamas offentligt som en Google+ Hangout.

Framtiden för konstgjord intelligens

Muo: Hej Giovanni! Detta är uppenbarligen ett väldigt komplext och utmanande projekt - kan du beskriva de framsteg du har gjort med simuleringen hittills, och vad återstår att göra? Vad tror du kommer att bli de viktigaste utmaningarna framöver?

Giovanni: Vi har gjort mycket framsteg på maskmassan och den omgivande miljön som kommer att representera vår virtuella petriskål. Vi tror på en utföringsform, vilket innebär att en hjärna i ett vakuum skulle vara mindre intressant utan simulerad miljö - "maskmatrisen" om du vill - som hjärnan kan uppleva via sin sensoriska neuroner.

Det är anledningen till att vi började med att satsa mycket på maskkroppen först. Det vi har hittills är en anatomiskt noggrann, tryckkutikula som innehåller sammandragbara muskelcelleroch är fylld med gelatinliknande vätska för att hålla allt på plats. Parallellt har vi arbetat med att få hjärnan igång, och vi kör för närvarande de första testerna av hela C. elegans neuronala nätverk (de berömda 302 nervcellerna).

Vi närmar oss nu punkten att vi kan börja ansluta hjärnan till kroppen och se vad som händer. Det betyder inte att masken är "levande", eftersom den inte har organ och många biologiska detaljer fortfarande saknas, men det kommer att göra det möjligt för oss att stäng slingan på motorsystemet så att vi kan börja experimentera och finjustera hjärnan och musklerna för att generera olika slags maskar förflyttning. Enbart detta kommer att hålla oss upptagna ett tag.

Det finns två olika sorters utmaningar - forskningsutmaningar och tekniska. Forskningsutmaningar är typiska för alla vetenskapliga satsningar. Du vet inte när du kommer att fastna eller om vad, men en uppenbar utmaning här är att även om hjärnan är kartläggd och sambanden mellan neuroner är kända, vi vet fortfarande inte mycket om de enskilda nervcellerna själva och deras egenskaper, vilket ger oss mycket arbete att göra för att finjustera dem - genomförbart, men hårt och tid krävande.

Detta är svårt eftersom djuret är mycket litet och hittills har det varit omöjligt att göra in vivo-avbildning av avfyrningshjärnan. Lyckligtvis, och detta är mycket nyheter, nya tekniker dyker upp som kan hjälpa oss att fylla några av luckorna.

När det gäller teknik finns det många tekniska utmaningar, men jag skulle säga att den viktigaste skulle vara simuleringens prestanda. Vi kör simuleringen på GPU: er och kluster, men ändå tar det mycket tid att simulera; det finns mycket arbete att göra där.

Webbläsare mask simulering

Muo: En av de Kickstarter-belöningarna du gjorde tillgängliga för dina stödmän var tillgång till en delvis simulering av masken i din webbläsare, inklusive muskulatur. När du slutför mer av simuleringen (som hjärnan), planerar du att göra dessa element tillgängliga i webbläsaren också? Hur intensiv kommer hela simuleringen att köras?

Giovanni: Ja - det är exakt idén. WormSim är ett fönster till den senaste tillgängliga simuleringen. När vi väl gjort några betydande framsteg, som att ansluta en hjärnan i simuleringen Geeks väger in: Tänker en människa snabbare än en dator? Läs mer , detta kommer att rullas ut till WormSim. Simuleringen kommer att vara ganska intensiv, men WormSim-arkitekturen är för närvarande frikopplad från det, i känna att vi kommer att köra simuleringen på den nödvändiga infrastrukturen (GPU-kluster etc) och sedan lagra resultat. Dessa resultat kommer att strömmas till WormSim, så att människor kan skanna fram och tillbaka i simuleringen, använda 3D-kamerakontroller och klicka på saker och få tillgång till simuleringsmetadata.

Nästa steg

Muo: Sedan C. elegans är bara början, efter nematoder, vad är nästa steg? Vilka utmaningar uppstår mellan nematoden och en mer komplex organisme?

Giovanni: Korrekt. Vi försöker bygga vår teknikplanering för framtiden, och vi vill vår motor att vara lite som LEGOS för beräkningsbiologi, helst så att efter C. elegans vi behöver inte börja från början, men kan sätta ihop en mer komplex organisme som utnyttjar det vi redan har byggt.

Kandidaterna är blodiglarna (10 000 nervceller) och fruktflugan eller larvzebrafisken (båda cirka 100 000 nervceller). Det handlar inte bara om hur många neuroner, utan också hur väl studerad en organisme är. Det kommer säkert att gå några år innan vi ens kan tänka på att hantera andra organismer, men om någon annan grupp ville ha det att komma igång med någon av dessa organismer, vi skulle gärna gå utöver att hjälpa till på något sätt vi kan - alla våra verktyg är öppna.

Huvudutmaningen är att när en hjärnan i en organisme blir större och större, som en mus med 75 miljoner nervceller, du är typ av tvingade att arbeta med populationer snarare än med väl definierade neuronala kretsar som består av rimliga mängder av neuroner. "Stänga slingan" blir lite svårare. Du behöver också mer beräkningskraft 10 sätt att donera din CPU-tid till vetenskap Läs mer , och gör något som vi försöker med C. elegans, cell-för-cell-simulering, inte begränsad till neuroner, är helt otänkbart. När du väl når den makronivån tvingas du arbeta med något mer grovkornigt. Men det kommer att hända, utan tvekan!

Validering och testning

Muo: Med tanke på att programvaran du utvecklar är väldigt komplex och innebär simulering på många nivåer, hur validerar du dina modeller för att bestämma framgång? Finns det tester du vill utföra, men inte har kunnat göra det ännu?

Giovanni: Vid varje granularitetsnivå "testar vi" våra programvarukomponenter mot experimentella resultat. De experimentella uppgifterna finns antingen redan tillgängliga utomhus eller kommer från laboratorier som beslutar att donera dem till oss. Neuronala simuleringar måste matcha experimentella mätningar av neuronal aktivitet. Mekaniska simuleringar för maskens kropp och dess miljö måste följa fysikens lagar.

På liknande sätt måste makrobeteenden hos den simulerade masken (simning / krypning) följa experimentella observationer på den nivån. Det finns faktiskt en grupp av oss som arbetar med att förbereda en otrolig mängd data så att vi kan kvantitativt säga för säker på att vår mask wigglar på samma sätt som den verkliga så snart vår simulering är redo att vara testas.

Tillämpningar av forskning

Muo: Vilken applikation av den här typen av simulering är mest spännande för dig? Vilka är de viktigaste användningarna av denna teknik framöver?

Giovanni: Denna typ av simulering, när den valideras, skulle göra det möjligt för oss att utföra experiment på en dator istället för levande djur. Detta har uppenbara fördelar när det gäller reproduktion av experiment och det stora antalet experiment som kan genomföras. C. elegans är en modellorganism för mänsklig sjukdom, så vi talar om att vi eventuellt får insikt i sjukdomar nerifrån och upp som Alzheimers, Parkinsons och Huntingtons, bara för att nämna några - och förhoppningsvis påskynda botningen som en konsekvens. Samma teknik kan användas för att simulera friska eller sjuka populationer av mänskliga vävnader bara genom att ladda olika modeller i motorn.

Personligen är jag väldigt upphetsad över hur det vi gör kan hjälpa oss att förstå hur hjärnan fungerar i en mycket spårbar skala. Föreställ dig vad det betyder om vi kan fånga en mask av hjärnan som en uppsättning parametrar (vilket är blir alltmer möjliga med ny bildteknologi) och mata samma parametrar i vår simulering. Detta kan låta som science fiction, men minnen har redan implanterats i levande djur.

Vad OpenWorm betyder för dig

Tekniken bakom OpenWorm-projektet är spännande på många nivåer. Tekniken för att kartlägga och simulera hela djurens hjärnor har djupa och så småningom världsförändrade konsekvenser för människans tillstånd.

På en mer omedelbar nivå kan förmågan att experimentera med simulerade djur och studera sjukdomar noggrant, beräkningsdetaljer kan mycket väl möjliggöra en helt ny typ av vetenskap - experiment utförda i massa av datorer, på datorer. OpenWorms teknik, uppskalad till större organismer, skulle göra det möjligt för oss att studera svårfatta sjukdomar som schizofreni och cancer på helt nya och spännande sätt.

Vad ser du för mänskligheten med denna teknik på tio år? Femtio? Låt oss veta i kommentarerna! Du kan följa OpenWorm-teamet på www.openworm.org