Giovanni Idili fra OpenWorm: Hjerner, ormer og kunstig intelligens

Annonse

Se for deg at du er et figur av datamaskinens fantasi. Hjernen din er en detaljert datasimulering - en kunstig intelligens 7 fantastiske nettsteder for å se det siste innen kunstig intelligens-programmeringKunstig intelligens er ennå ikke HAL fra 2001: The Space Odyssey... men vi kommer veldig nærme. Visst nok, en dag kan det være like likt de sci-fi potboilers som blir kvernet ut av Hollywood ... Les mer som kobles til simulerte øyne og simulerte muskler og simulerte nerveender, som samhandler med en simulert verden. Du tenker og føler akkurat som du gjør nå, men i stedet for å bli implementert i grått kjøtt, kjører tankene dine på silisium.

Å simulere en hel menneskelig hjerne som dette er en måter å gjøre, men et åpen kildekode-prosjekt er i ferd med å ta en viktig første trinn, ved å simulere nevrologi og fysiologi til et av de enkleste dyrene som er kjent vitenskap. De OpenWorm-teamet, som nettopp fullførte en vellykket Kickstarter, er måneder unna å bygge en komplett simulering av C. elegans, en enkel nematodeorm med 302 nevroner. Den simulerte ormen vil svømme i simulert vann, reagere på simulert stimulans, og (i den grad en så enkel organisme kan), tenke.

I dette intervjuet skal vi snakke med Giovanni Idili, medgründer av OpenWorm-prosjektet om deres arbeid innen kunstig intelligens. OpenWorm-teamet er et multinasjonalt team av ingeniører, som har jobbet med ormsimuleringen i flere år. De bruker fildelingsverktøy som Google Drive og Dropbox for å samarbeide, og møtene deres blir streamet offentlig som en Google+ Hangout.

Framtiden for kunstig intelligens

MUO: Hei Giovanni! Dette er tydeligvis et veldig sammensatt og utfordrende prosjekt - kan du beskrive fremdriften du har gjort med simuleringen så langt, og hva gjenstår å gjøre? Hva tror du vil være de mest betydningsfulle utfordringene fremover?

Giovanni: Vi har gjort mye fremgang på ormens kropp og omgivelsene som vil representere vår virtuelle petriskål. Vi tror på utførelse, noe som betyr at en hjerne i et vakuum ville være mindre interessant uten simulerte omgivelser - "ormematrisen" hvis du vil - som hjernen kan oppleve via sin sensoriske nevroner.

Det er grunnen til at vi startet med å legge mye arbeid i ormekroppen først. Det vi har så langt er en anatomisk treffsikker, neglebånd med trykk som inneholder sammentrengbare muskelceller, og er fylt med gelatinlignende væske for å holde alt på plass. Parallelt har vi jobbet med å få hjernen til å gå, og vi kjører for tiden de første testene av hele C. elegans nevronale nettverk (de berømte 302 nevronene).

Vi nærmer oss nå poenget med at vi kan begynne å plugge hjernen inn i kroppen og se hva som skjer. Dette betyr ikke at ormen er "i live", fordi den ikke har organer og det mangler mye biologisk detalj også, men det vil gjøre det mulig for oss å lukk løkken på motorsystemet, slik at vi kan begynne å eksperimentere og finjustere hjernen og musklene for å generere forskjellige slags ormer bevegelse. Dette alene vil holde oss opptatt en stund.

Det er to forskjellige utfordringer - forskningsutfordringer og tekniske. Forskningsutfordringer er de som er typiske for enhver vitenskapelig virksomhet. Du vet ikke når du skal sitte fast eller hva, men en åpenbar utfordring her er at selv om hjernen er kartlagt og forbindelsene mellom nevroner er kjent, så vet fortsatt ikke mye om de enkelte nevronene selv og deres egenskaper, noe som gir oss mye arbeid å gjøre for å finjustere dem - gjennomførbart, men vanskelig og tid tidkrevende.

Dette er vanskelig fordi dyret er veldig lite, og så langt har det vært umulig å gjøre in vivo-avbildning av skytehjernen. Heldigvis, og dette er veldig nyheter, nye teknikker dukker opp som kan hjelpe oss med å fylle noen av hullene.

Teknisk sett er det mange tekniske utfordringer, men jeg vil si at den viktigste ville være ytelsen til simuleringen. Vi kjører simuleringen på GPU-er og klynger, men likevel tar det mye tid å simulere; det er mye arbeid å gjøre der.

Browser Worm Simulation

MUO: En av Kickstarter-belønningene du gjorde tilgjengelig for dine støttespillere, var tilgang til en delvis simulering av ormen i nettleseren din, inkludert muskulatur. Når du fullfører mer av simuleringen (som hjernen), planlegger du å gjøre disse elementene tilgjengelige i nettleseren også? Hvor intensiv vil full simulering være å kjøre?

Giovanni: Ja - dette er akkurat ideen. WormSim vil være et vindu i den siste tilgjengelige simuleringen. Når vi har gjort noen betydelige fremskritt, som å koble til en hjernen inn i simuleringen Nørder veier inn: Synes et menneske raskere enn en datamaskin? Les mer , dette blir rullet ut til WormSim. Simuleringen vil være ganske intensiv, men WormSim-arkitekturen er for øyeblikket koblet fra det, i føler at vi vil kjøre simuleringen på den nødvendige infrastrukturen (GPU-klynger osv.) og deretter lagre resultater. Disse resultatene vil bli streamet til WormSim, slik at folk vil kunne skanne frem og tilbake i simuleringen, bruke 3D-kamerakontroller og klikke på ting og få tilgang til simuleringsmetadata.

Neste skritt

MUO: Siden C. elegans er bare starten, etter nematoder, hva er neste trinn? Hvilke utfordringer oppstår mellom nematoden og en mer sammensatt organisme?

Giovanni: Riktig. Vi prøver å bygge vår teknologiplanlegging for fremtiden, og vi vil motoren vår å være litt som LEGOS for beregningsbiologi, ideelt sett, slik at etter C. elegans vi ikke trenger å starte fra bunnen av, men kan sette sammen en mer kompleks organisme som utnytter det vi allerede har bygget.

Kandidatene er iglen (10 000 nevroner) og fruktflue eller larve sebrafisk (begge rundt 100 000 nevroner). Det handler ikke bare om hvor mange nevroner, men også hvor godt studert en organisme er. Det kommer helt sikkert til å gå ganske mange år før vi til og med kan tenke å takle andre organismer, men hvis en annen gruppe ønsket det for å komme i gang med noen av disse organismer, vil vi gjerne gå utover for å hjelpe på noen måte vi kan - alle verktøyene våre er åpen.

Hovedutfordringen er at når hjernen til en organisme blir større og større, som en mus med sine 75 millioner nevroner, du er slags tvunget til å jobbe med populasjoner i stedet for med veldefinerte nevronkretser som består av rimelige mengder nevroner. "Lukking av loopen" blir litt vanskeligere. Du trenger også mer regnekraft 10 måter å donere CPU-tiden din til vitenskap Les mer , og gjøre noe som det vi forsøker med C. elegans, celle-for-celle-simulering ikke begrenset til nevroner, er helt utenkelig. Når du kommer til det makronivået, blir du tvunget til å jobbe med noe mer grovkornet. Men det kommer til å skje, uten tvil!

Validering og testing

MUO: Med tanke på at programvaren du utvikler er veldig kompleks og innebærer simulering på mange nivåer, hvordan validerer du modellene dine for å bestemme suksess? Er det tester du vil utføre, men ikke har klart det ennå?

Giovanni: På hvert nivå av granularitet "enhetstester" vi programvarekomponentene våre mot eksperimentelle resultater. Eksperimentelle data er enten allerede tilgjengelige i det fri, eller kommer fra laboratorier som bestemmer seg for å gi dem til oss. Neuronale simuleringer må samsvare med eksperimentelle målinger på nevronal aktivitet. Mekaniske simuleringer for ormens kropp og dens miljø må følge fysikkens lover.

På lignende måte vil makroatferd hos den simulerte ormen (svømme / krype) måtte følge eksperimentelle observasjoner på det nivået. Det er det faktisk en gruppe av oss som jobber med å gjøre klar en mengde data slik at vi kvantitativt kan si for sikker på at ormen vår vrikker på samme måte som den ekte så snart simuleringen vår er klar til å være testet.

Anvendelser av forskning

MUO: Hvilken applikasjon av denne typen simulering er mest spennende for deg? Hva er de viktigste bruksområdene av denne teknologien fremover?

Giovanni: Denne typen simulering, når den ble validert, kan gjøre det mulig for oss å utføre eksperimenter på en datamaskin i stedet for levende dyr. Dette har åpenbare fordeler når det gjelder reproduksjon av eksperimenter og det store antallet eksperimenter som kan utføres. C. elegans er en modellorganisme for menneskers sykdom, så vi snakker om muligens å få bottom-up innsikt i sykdommer som Alzheimers, Parkinson og Huntington, bare for å nevne noen - og forhåpentligvis fremskynde kuren som en konsekvens. Den samme teknologien kan brukes til å simulere sunne eller syke bestander av menneskelig vev bare ved å laste inn forskjellige modeller i motoren.

Personlig er jeg ekstremt spent på hvordan det vi gjør kan hjelpe oss med å forstå hvordan hjerner fungerer i en veldig sporbar skala. Bare tenk hva det vil si hvis vi kan fange hjernen til en orm som et sett med parametere (som er blir stadig mer mulig med nye bildeteknologier) og mate de samme parametrene inn i vår simulering. Dette kan høres ut som science fiction, men minner er allerede implantert i levende dyr.

Hva OpenWorm betyr for deg

Teknologien bak OpenWorm-prosjektet er spennende på mange nivåer. Teknologien for å kartlegge og simulere hjernen til hele dyr har dype og etter hvert verdensforandrende implikasjoner for den menneskelige tilstanden.

På et mer øyeblikkelig nivå er muligheten til å eksperimentere på simulerte dyr og studere sykdommer på en grundig måte, beregningsdetaljer kan godt muliggjøre en helt ny type vitenskap - eksperimenter utført i massevis av datamaskiner, på datamaskiner. Teknologien til OpenWorm, skalert opp til større organismer, kan tillate oss å studere vanskelig å forstå sykdommer som schizofreni og kreft på helt nye og spennende måter.

Hva ser du menneskeheten oppnå med denne teknologien om ti år? Femti? Gi oss beskjed i kommentarene! Du kan følge OpenWorm-teamet på www.openworm.org