Giovanni Idili of OpenWorm Hjerner, ormer og kunstig intelligens

Tenk deg at du er en figur av datamaskinens fantasi. Hjernen din er en detaljert datasimulering - en kunstig intelligens 7 Fantastiske nettsteder for å se det siste innen kunstig intelligensprogrammering 7 Fantastiske nettsteder for å se de siste i kunstig intelligensprogrammering Kunstig intelligens er ennå ikke HAL fra 2001: Space Odyssey ... men vi er blir veldig nært. Sikkert nok, en dag kan det være som ligner på sci-fi-pottepipene som blir klemt av Hollywood ... Les mer som kobles til simulerte øyne og simulerte muskler og simulerte nerveender, som virker sammen med en simulert verden. Du tenker og føler akkurat som du gjør nå, men i stedet for å bli implementert i grått kjøtt, går tankene dine på silisium.

Simulering av en hel menneskelig hjerne som dette er en måten, men et åpen kildeprosjekt er i ferd med å ta et viktig første skritt ved å simulere nevrologi og fysiologi til et av de enkleste dyrene som er kjent for vitenskapen. OpenWorm-teamet, som nettopp har fullført en vellykket kickstarter, er måneder unna å bygge en komplett simulering av C. elegans, en enkel nematodeorm med 302 neuroner. Den simulerte ormen vil svømme i simulert vann, reagere på simulert stimulus, og (i den grad en slik enkel organisme kan), tenk.

I dette intervjuet snakker vi med Giovanni Idili, medgrunnlegger 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 Disk og Dropbox for å samarbeide, og deres møter blir streamet offentlig som en Google+ Hangout.

Fremtiden for kunstig intelligens

MUO: Hei Giovanni! Dette er åpenbart et svært komplekst og utfordrende prosjekt - kan du beskrive fremgangen du har gjort på simuleringen så langt, og hva gjenstår å gjøre? Hva tror du vil være de viktigste utfordringene fremover?

Giovanni: Vi har gjort mye fremgang på ormens og det omgivende miljø som representerer vår virtuelle petriskål. Vi tror på utførelsen, noe som betyr at en hjerne i et vakuum ville være mindre interessant uten et simulert miljø - den “ormmatrise” hvis du vil - det hjernen kan oppleve via sine sensoriske nevroner.

Det er derfor vi begynte med å sette mye innsats i ormekroppen først. Det vi har så langt er en anatomisk nøyaktig, trykksubstans som inneholder kontraktible muskelceller, og er fylt med gelatinlignende væske for å holde alt på plass. Parallelt har vi jobbet med å få hjernen til å løpe, og vi driver for tiden de første testene av hele C. elegans neuronale nettverket (de berømte 302 neuronene).

Nå nærmer vi oss det punktet at vi kan begynne å plugge hjernen inn i kroppen og se hva som skjer. Dette betyr ikke at ormen er “i live”, fordi det ikke har organer og mye biologisk detalj mangler også, men det vil gjøre det mulig for oss å lukke sløyfen på motorsystemet, slik at vi kan begynne å eksperimentere og justere hjernen og musklene for å generere forskjellige typer ormbevegelser . Dette alene vil holde oss opptatt en stund.

Det er to forskjellige typer utfordringer - forskningsutfordringer og tekniske. Forskningsutfordringer er de som er typiske for et vitenskapelig venture. Du vet ikke når du skal bli sittende fast eller hva, men en åpenbar utfordring her er at selv om hjernen er kartlagt og forbindelsene mellom nevroner er kjent, vet vi fortsatt ikke mye om de enkelte nervene selv og deres egenskaper, som gir oss mye arbeid å gjøre for å finjustere dem - gjennomførbare, men harde og tidkrevende.

Dette er vanskelig fordi dyret er svært lite og så langt har det vært umulig å gjøre in vivo bildebehandling av brennhjernen. Heldigvis, og dette er veldig nylige nyheter, nye teknikker er på overflaten som kan hjelpe oss å fylle noen av hullene.

Når det gjelder ingeniørarbeid, er det mange tekniske utfordringer, men jeg vil si at det viktigste ville være simuleringens ytelse. Vi kjører simuleringen på GPUer og klynger, men det tar fortsatt mye tid å simulere; det er mye arbeid å gjøre der.

Browser Worm Simulation

MUO: En av Kickstarter-belønningene du gjorde tilgjengelig for dine backers, var tilgang til en delvis simulering av ormen i nettleseren din, inkludert muskulatur. Når du fullfører flere av simuleringen (som hjernen), har du tenkt å gjøre disse elementene tilgjengelige i nettleseren også? Hvor intensiv vil den fulle simuleringen være å løpe?

Giovanni: Ja - dette er akkurat ideen. WormSim vil være et vindu inn i den nyeste simuleringen tilgjengelig. Når vi har gjort noen betydelige fremskritt, som å plugge en hjerne inn i simuleringen Geeks Weigh In: Trenger et menneske raskere enn en datamaskin? Geeks veier i: Tenk et menneske raskere enn en datamaskin? Les mer, dette vil bli rullet ut til WormSim. Simuleringen vil være ganske intensiv, men WormSim-arkitekturen er for tiden koblet fra det, i den forstand at vi skal kjøre simuleringen på den nødvendige infrastrukturen (GPU-klynger osv.) Og lagre resultatene. Disse resultatene blir streamet til WormSim, slik at folk vil kunne skanne frem og tilbake i simuleringen, bruke 3D-kamera kontroller og klikke på ting og få tilgang til simuleringsmetadata.

Neste skritt

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

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

Kandidatene er leech (10k neuroner) og fruktfluen eller larvalzebrafisken (begge rundt 100k neuroner). Det handler ikke bare om hvor mange nevroner, men også hvor godt organisert en organisme er. Det kommer sikkert til å være ganske mange år før vi kan til og med tenke å takle andre organismer, men hvis en annen gruppe ønsket å komme i gang på noen av disse organismer, ville vi gjerne gå utover for å hjelpe på noen måte vi kan - Alle våre verktøy er åpne.

Den største utfordringen er at når hjernen til en organisme blir større og større, som en mus med sine 75 millioner nevroner, er du litt tvunget til å jobbe med populasjoner i stedet for med veldefinerte nevronkretser som består av rimelige mengder neuroner. “Lukker sløyfen” blir litt vanskeligere. Du trenger også mer beregningsevne 10 måter å donere CPU-tid til vitenskap 10 måter å donere CPU-tid til vitenskap Les mer, og gjør noe som det vi forsøker med C. elegans, celle-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: Gitt at programvaren du utvikler er svært kompleks og innebærer simulering på mange nivåer, hvordan validerer du modellene dine for å bestemme suksess? Er det tester du vil gjerne utføre, men har ikke vært i stand til ennå?

Giovanni: På hvert nivå av granularitet vi “enhet-test” Våre programvarekomponenter mot eksperimentelle resultater. De eksperimentelle dataene er enten allerede tilgjengelige i det åpne, eller kommer fra laboratorier som bestemmer seg for å donere det til oss. Neuronal simuleringer må samsvare med eksperimentelle målinger på nevronaktivitet. Mekaniske simuleringer for ormens og dets omgivelser må følge fysikkloven.

På samme måte må makrooppførsel av simulert orm (svømming / kryptering) følge eksperimentelle observasjoner på det nivået. Det er faktisk en gruppe av oss som jobber med å gjøre seg klar til en utrolig mengde data, slik at vi kan kvantitativt si at vår orm er wiggling det samme som den virkelige så snart simuleringen vår er klar til å bli testet.

Søknader av forskning

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

Giovanni: Denne typen simulering, når den er 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 å reprodusere eksperimenter og det rene antall eksperimenter som kan utføres. C. elegans er en modellorganisme for menneskers sykdom, så vi snakker om muligens å få innsikt i sykdommer som Alzheimers, Parkinsons og Huntingtons, for bare å nevne noen - og forhåpentligvis akselerere kuret som en konsekvens. Den samme teknologien kan brukes til å simulere sunne eller syke populasjoner av humant vev bare ved å laste forskjellige modeller inn i motoren.

Personlig er jeg veldig spent på hvordan det vi gjør kan hjelpe oss å forstå hvordan hjernen jobber i en meget tåler skala. Tenk deg hva det betyr hvis vi kan fange hjernen til en orm som et sett med parametere (som blir stadig mer mulig med nye bildebehandlingsteknologier) og mate de samme parametrene inn i simuleringen vår. Dette kan høres ut som science fiction, men minner er allerede blitt implantert i levende dyr.

Hva OpenWorm betyr for deg

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

På et mer umiddelbart nivå kan evnen til å eksperimentere på simulerte dyr og studere sykdommer i grundige beregningsdetaljer gi en helt ny type vitenskap - eksperimenter utført, masse, ved datamaskiner, på datamaskiner. OpenWorms teknologi, oppskalert til større organismer, kan tillate oss å studere vanskelige å forstå sykdommer som skizofreni og kreft på helt nye og spennende måter.

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

Utforsk mer om: Geeky Science.