Giovanni Idili van OpenWorm: Brains, Worms en Artificial Intelligence

Advertentie

Stel je voor dat je een verzinsel van je computer bent. Je brein is een gedetailleerde computersimulatie - een kunstmatige intelligentie 7 geweldige websites om het nieuwste op het gebied van kunstmatige intelligentie te programmerenArtificial Intelligence is nog geen HAL uit 2001: The Space Odyssey... maar we komen heel dichtbij. En ja hoor, op een dag zou het net zoiets kunnen zijn als de sci-fi potboilers die door Hollywood worden geproduceerd ... Lees verder die verbinding maakt met gesimuleerde ogen en gesimuleerde spieren en gesimuleerde zenuwuiteinden, die interageren met een gesimuleerde wereld. Je denkt en voelt precies zoals je nu doet, maar in plaats van te worden geïmplementeerd in grijs vlees, draait je geest op silicium.

Het simuleren van een heel menselijk brein als dit is een uitweg, maar een open-sourceproject staat op het punt een essentiële eerste stap, door het simuleren van de neurologie en fysiologie van een van de eenvoudigste dieren die we kennen wetenschap. De

OpenWorm-team, die zojuist is voltooid een succesvolle Kickstarter, is maanden verwijderd van het bouwen van een volledige simulatie van C. elegans, een simpele nematodenworm met 302 neuronen. De gesimuleerde worm zal in gesimuleerd water zwemmen, reageren op gesimuleerde stimulus en (voor zover een dergelijk eenvoudig organisme dat kan) denken.

In dit interview praten we 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 tools voor het delen van bestanden zoals Google Drive en Dropbox om samen te werken 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 - kun je de voortgang beschrijven die je tot nu toe hebt gemaakt met de simulatie, en wat moet je nog doen? Wat zijn volgens u 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 in belichaming, wat betekent dat een brein in een vacuüm zonder a minder interessant zou zijn gesimuleerde omgeving - de 'wormmatrix' als je wilt - die de hersenen kunnen ervaren via hun sensorische neuronen.

Dat is de reden waarom we zijn begonnen met eerst veel aandacht te besteden aan het wormenlichaam. Wat we tot nu toe hebben is een anatomisch nauwkeurige cuticula onder druk die samentrekkende spiercellen bevat, en is gevuld met gelatine-achtige vloeistof om alles op zijn plaats te houden. Tegelijkertijd hebben we gewerkt aan het laten draaien van de hersenen en momenteel voeren we de eerste tests van de hele C uit. elegans neuronaal netwerk (de beroemde 302 neuronen).

We naderen nu het punt dat we kunnen beginnen met het aansluiten van de hersenen op het lichaam en kijken wat er gebeurt. Dit betekent niet dat de worm "leeft", omdat hij geen organen heeft en er nog steeds veel biologisch detail ontbreekt, maar het stelt ons in staat om sluit de lus van het motorsysteem, zodat we kunnen gaan experimenteren en de hersenen en spieren kunnen aanpassen om verschillende soorten wormen te genereren voortbeweging. Alleen dit zal ons een tijdje bezig houden.

Er zijn twee verschillende soorten uitdagingen: onderzoeksuitdagingen en technische. Onderzoeksuitdagingen zijn typisch 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 hoewel de hersenen in kaart zijn gebracht en de verbindingen tussen neuronen bekend zijn, we weet nog steeds niet veel van de individuele neuronen zelf en hun kenmerken, waardoor we nog veel werk moeten verzetten om ze te verfijnen - uitvoerbaar, maar moeilijk en tijd consumeren.

Dit is moeilijk omdat het dier erg klein is en tot nu toe was het onmogelijk om in vivo beeldvorming van de afvurende hersenen te maken. Gelukkig, en dit is heel recent nieuws, nieuwe technieken duiken op dat kan ons helpen bepaalde hiaten op te vullen.

Op het gebied van engineering zijn er veel technische uitdagingen, maar ik zou zeggen dat de prestaties van de simulatie de belangrijkste zijn. We draaien de simulatie op GPU's en clusters, maar toch kost het veel tijd om te simuleren; daar is veel werk aan de winkel.

Browser Worm-simulatie

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

Giovanni: Ja - dit is precies het idee. De WormSim zal een venster zijn op de nieuwste beschikbare simulatie. Zodra we een aanzienlijke vooruitgang hebben geboekt, zoals het aansluiten van een hersenen in de simulatie Geeks wegen: denkt een mens sneller dan een computer? Lees verder wordt dit uitgerold naar de WormSim. De simulatie zal behoorlijk intensief zijn, maar de WormSim-architectuur is daar momenteel in de voelen dat we de simulatie op de benodigde infrastructuur (GPU-clusters enz.) resultaten. Deze resultaten worden naar de WormSim gestreamd, zodat mensen in de simulatie heen en weer kunnen scannen, 3D-camerabesturingen kunnen gebruiken en op dingen kunnen klikken en metagegevens van simulaties kunnen openen.

Volgende stappen

MUO: Aangezien C. elegans is nog maar het begin, na nematoden, wat is de volgende stap? Welke uitdagingen ontstaan ​​er tussen de nematode en een complexer organisme?

Giovanni: Correct. We proberen onze technologieplanning voor de toekomst op te bouwen en dat willen we onze motor een beetje zoals LEGOS zijn voor computationele biologie, idealiter, zodat na C. elegans we hoeven niet helemaal opnieuw te beginnen, maar kunnen een complexer organisme samenstellen dat gebruik maakt van wat we al hebben gebouwd.

Kandidaten zijn de bloedzuiger (10k neuronen) en de fruitvlieg of de larvale zebravis (beide rond de 100k neuronen). Het gaat er niet alleen om hoeveel neuronen, maar ook hoe goed een organisme is bestudeerd. Het zal zeker een aantal jaren duren voordat we zelfs maar kunnen nadenken om andere organismen aan te pakken, maar als een andere groep dat zou willen om aan de slag te gaan met een van die organismen, doen we er alles aan om te helpen op elke mogelijke manier - 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, jij worden gedwongen om met populaties te werken in plaats van met goed gedefinieerde neuronale circuits die bestaan ​​uit redelijke hoeveelheden neuronen. "Closing the loop" wordt een beetje lastiger. Je hebt ook meer nodig rekenkracht 10 manieren om uw CPU-tijd aan de wetenschap te doneren Lees verder , en iets doen wat we proberen met C. elegans, cel-voor-cel-simulatie die niet beperkt is tot neuronen, is ronduit ondenkbaar. Als je eenmaal dat macroniveau hebt bereikt, word je gedwongen om met iets grover te werken. Maar het gaat ongetwijfeld gebeuren!

Validatie en testen

MUO: Aangezien de software die u ontwikkelt erg complex is en simulatie op vele niveaus omvat, hoe valideert u uw modellen om succes te bepalen? Zijn er tests die u wilt uitvoeren, maar nog niet heeft kunnen doen?

Giovanni: Op elk detailniveau 'testen' we onze softwarecomponenten op experimentele resultaten. De experimentele gegevens zijn al in de open lucht beschikbaar of zijn afkomstig van laboratoria die besluiten deze aan ons te schenken. Neuronale simulaties moeten overeenkomen met experimentele metingen van neuronale activiteit. Mechanische simulaties voor het lichaam van de worm en zijn omgeving moeten de natuurkundige wetten volgen.

Op dezelfde manier zullen macrogedragingen van de gesimuleerde worm (zwemmen / kruipen) experimentele observaties op dat niveau moeten volgen. Dat is er inderdaad een groep van ons die werken aan het voorbereiden van een ongelooflijke hoeveelheid gegevens, zodat we kwantitatief kunnen zeggen zorg ervoor dat onze worm hetzelfde beweegt als de echte zodra onze simulatie klaar is om te worden getest.

Toepassingen van onderzoek

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

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

Persoonlijk ben ik erg enthousiast over hoe wat we doen ons kan helpen begrijpen hoe hersenen werken op een zeer handelbare schaal. Stel je eens voor wat het betekent als we de hersenen van een worm kunnen vastleggen als een set parameters (dat wil zeggen steeds meer mogelijk worden met nieuwe beeldvormende technologieën) en voer dezelfde parameters in onze simulatie. Dit klinkt misschien als sciencefiction, maar herinneringen zijn al geïmplanteerd in levende dieren.

Wat OpenWorm voor u betekent

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

Op een meer direct niveau, het vermogen om te experimenteren met gesimuleerde dieren en ziekten nauwkeurig te bestuderen, computationele details maken een heel nieuw soort wetenschap mogelijk - experimenten die massaal door computers worden uitgevoerd, op computers. De technologie van OpenWorm, opgeschaald naar grotere organismen, zou ons in staat kunnen stellen 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 comments! Je kunt het OpenWorm-team volgen op www.openworm.org