Giovanni Idili of OpenWorm Hjärnor, maskar och artificiell intelligens

Tänk dig att du är en bild av din dators fantasi. Din hjärna är en detaljerad datorsimulering - en artificiell intelligens 7 Fantastiska webbplatser för att se det senaste inom artificiell intelligensprogrammering 7 Fantastiska webbplatser för att se det senaste inom artificiell intelligensprogrammering Artificiell intelligens är ännu inte HAL från 2001: Space Odyssey ... men vi är blir väldigt nära. Visst nog, en dag kan det vara lika med sci-fi-krukbottnarna som kramas ut av Hollywood ... Läs mer som kopplar 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 i stället för att implementeras i grått kött, kör ditt sinne på silikon.

Att simulera en hel mänsklig hjärna så här är ett sätt att gå, men ett öppen källprojekt håller på att ta ett viktigt första steg genom att simulera neurologin och fysiologin hos ett av de enklaste djuren som är kända för vetenskapen. OpenWorm-laget, som just avslutat en framgångsrik kickstarter, är månader bort från att bygga en komplett simulering av C. elegans, en enkel nematodmask med 302 neuroner. Den simulerade masken kommer att simma i simulerat vatten, reagera på simulerad stimulans, och (i den mån en sådan enkel organism kan) tror.

I den här intervjun talar vi med Giovanni Idili, medgrundare av OpenWorm-projektet om deras arbete inom artificiell intelligens. OpenWorm-laget är ett multinationellt team av ingenjörer, som har arbetat med masksimuleringen i flera år. De använder fildelningsverktyg som Google Drive och Dropbox för att samarbeta, och deras möten strömmar offentligt som en Google+ Hangout.

Framtiden för artificiell intelligens

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

Giovanni: Vi har gjort mycket framsteg på maskens och omgivande miljö som representerar vår virtuella petriskål. Vi tror på utförandet, vilket innebär att en hjärna i ett vakuum skulle vara mindre intressant utan en simulerad miljö - “maskmatris” om du vill - som hjärnan kan uppleva via sina sensoriska neuroner.

Det är därför vi började med att lägga mycket ansträngning i maskkroppen först. Vad vi har hittills är en anatomiskt noggrann, tryckkärl som innehåller kontraherbara muskelceller och fylls med gelatinliknande vätska för att hålla allt på plats. Parallellt har vi arbetat med att få hjärnan att springa, och vi kör för närvarande de första testerna av hela C. elegans neuronala nätverket (de kända 302 neuronerna).

Nu närmar vi oss att vi kan börja plugga hjärnan i kroppen och se vad som händer. Detta betyder inte att masken är “Levande”, eftersom det inte har organ och mycket biologisk detalj saknas fortfarande, men det kommer att göra det möjligt för oss att stänga slingan på motorsystemet så att vi kan börja experimentera och anpassa hjärnan och musklerna för att generera olika typer av maskmotor . Detta ensam kommer att hålla oss upptagen en stund.

Det finns två olika typer av utmaningar - forskningsutmaningar och tekniska frågor. Forskningsutmaningar är de som är typiska för alla vetenskapliga satsningar. Du vet inte när du ska fastna eller vad, men en uppenbar utmaning här är att trots att hjärnan är kartlagd och förbindelserna mellan neuroner är kända, vet vi fortfarande inte mycket om de enskilda neuronerna själva och deras egenskaper, vilket ger oss mycket arbete att göra för att finjustera dem - genomförbart men svårt och tidskrävande.

Detta är svårt eftersom djuret är väldigt litet och hittills har det varit omöjligt att göra in vivo avbildning av brännings hjärnan. Lyckligtvis, och det här är väldigt senaste nyheterna, är nya tekniker uppslag 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 och kluster, men det tar fortfarande mycket tid att simulera; det finns mycket arbete att göra där.

Browser Worm Simulation

Muo: En av de Kickstarter-belöningar som du gjorde tillgängliga för dina spelare var tillgång till en delvis simulering av masken i din webbläsare, inklusive muskulaturen. När du fyller i mer av simuleringen (som hjärnan), planerar du att göra dessa element tillgängliga i webbläsaren också? Hur intensiv kommer den fulla simuleringen att vara igång?

Giovanni: Ja - det här är exakt idén. WormSim kommer att vara ett fönster i den senaste simuleringen som finns tillgänglig. När vi gör några betydande framsteg, som att plugga en hjärna i simuleringen Geeks Weigh In: Tänker en människa snabbare än en dator? Geeks väger in: Tänker en människa snabbare än en dator? Läs mer, detta kommer att rullas ut till WormSim. Simuleringen blir ganska intensiv, men WormSim-arkitekturen är för närvarande kopplad från det, i den meningen att vi ska köra simuleringen på nödvändig infrastruktur (GPU-kluster mm) och sedan lagra resultaten. Dessa resultat kommer att strömma till WormSim, så att människor kommer att kunna skanna fram och tillbaka i simuleringen, använda 3D-kamerakontroller och klicka på saker och få tillgång till simuleringsmetadata.

Nästa steg

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

Giovanni: Korrekt. Vi försöker bygga vår tekniska planering för framtiden, och vi vill att vår motor ska vara lite som LEGOS för beräkningsbiologi, idealiskt, så att vi efter C. elegans inte behöver starta från början, men kan montera en mer komplex organism utnyttjar det vi redan har byggt.

Kandidater är leech (10k neuroner) och fruktflugan eller larvalzebrafisken (båda runt 100k neuroner). Det handlar inte bara om hur många neuroner, utan också hur väl undersökt en organism är. Det kommer säkert att vara några år innan vi ens kan tänka att ta itu med andra organismer, men om någon annan grupp ville komma igång på någon av dessa organismer, skulle vi gärna gå utöver att hjälpa till på något sätt vi kan - Alla våra verktyg är öppna.

Den viktigaste utmaningen är att när en organisms hjärna blir större och större, som en mus med sina 75 miljoner neuroner, är du typ av tvungen att arbeta med populationer snarare än med väldefinierade neuronala kretsar som består av rimliga mängder neuroner. “Avsluta slingan” blir lite svårare. Du behöver också mer beräkningskraft 10 sätt att donera din CPU-tid till vetenskap 10 sätt att donera din CPU-tid till vetenskap Läs mer och gör något som vi försöker med C. elegans, cell-vid-cell-simulering, inte begränsad till neuroner , är helt otänkbart. När du väl kommit till den makronivån, är du tvungen att arbeta med något mer grovt kornat. Men det kommer utan tvekan att hända!

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 test du skulle vilja utföra, men har inte kunnat än?

Giovanni: På varje nivå av granularitet vi “enhetstest” Våra mjukvarukomponenter mot experimentella resultat. Experimentella data finns antingen redan tillgängliga i det öppna, eller kommer från laboratorier som väljer att donera det till oss. Neuronala simuleringar måste matcha experimentella mätningar på neuronaktivitet. Mekaniska simuleringar för maskens kropp och dess miljö måste följa fysikens lagar.

På samma 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 göra sig redo en otrolig mängd data så att vi kan kvantitativt säga säkert att vår mask snubblar på samma sätt som den verkliga så snart vår simulering är redo att testas.

Forskningsansökningar

Muo: Vilken tillämpning av denna typ av simulering är mest spännande för dig? Vilka är de viktigaste användningarna av denna teknik framöver?

Giovanni: Denna typ av simulering kan, när den valideras, ge oss möjlighet att genomföra experiment på en dator istället för levande djur. Detta har tydliga fördelar när det gäller att reproducera experiment och det stora antalet experiment som kan utföras. C. elegans är en modellorganisme för mänsklig sjukdom, så vi pratar om att eventuellt få insikt i sjukdomar som Alzheimers, Parkinsons och Huntingtons, för att bara nämna några - och förhoppningsvis påskynda botemedlet som följd. Samma teknik kan användas för att simulera friska eller sjuka populationer av mänskliga vävnader genom att bara ladda olika modeller i motorn.

Personligen är jag väldigt exalterad av hur det vi gör kan hjälpa oss att förstå hur hjärnorna arbetar i en mycket trakvat skala. Tänk bara vad det betyder om vi kan fånga en masks hjärna som en uppsättning parametrar (vilket blir alltmer möjligt med ny bildteknik) och mata samma parametrar i vår simulering. Det här låter 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 hjärnan hos hela djur har djupa och så småningom världsförändrande konsekvenser för det mänskliga tillståndet.

På en mer omedelbar nivå kan förmågan att experimentera på simulerade djur och studera sjukdomar i noggrann beräkningsmässig detalj möjligen möjliggöra en helt ny typ av vetenskap - experiment som utförts, mycket, med datorer, på datorer. OpenWorms teknologi, uppskalad till större organismer, kan ge oss möjlighet att studera svårt att förstå sjukdomar som schizofreni och cancer på helt nya och spännande sätt.

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

Utforska mer om: Geeky Science.