Wetenschappers simuleren wormbreinen in LEGO-robot en demonstreren doorbraak in neurale mapping

• Wetenschappers hebben de hersenen van een rondworm (Caenorhabditis elegans) in een Lego-robot gestopt. 
• Ze brachten verbindingen tussen de 302 neuronen van de worm in kaart en simuleerden deze in software. 
• IP-adres en poortnummer worden gebruikt om elk neuron te adresseren.

De hersenen zijn veel meer dan alleen een verzameling elektrische signalen. Als de mens kan leren hoe hij deze signalen kan opslaan zonder ze te vervormen, kunnen we iemands hersenen in een computer uploaden, waardoor hij of zij voor altijd kan leven in een vorm van digitaal bewustzijn, zoals in de Hollywood-film Transcendence.

Onderzoekers zijn nog lang niet in de buurt van het bereiken van een dergelijke prestatie, tenminste niet met menselijke hersenen, maar ze hebben in het verleden een paar mijlpalen bereikt. Een internationaal onderzoeksteam is er bijvoorbeeld in geslaagd de hersenen van een rondworm in een Lego-robotlichaam te plaatsen.

De rondworm die ze hebben gebruikt is Caenorhabditis elegans, een vrijlevende, transparante nematode van ongeveer 1 millimeter lang. Het leeft in gematigde bodemomgevingen en mist een ademhalings- en bloedsomloopsysteem. Hun genen en zenuwstelsel zijn verschillende keren bestudeerd.

Bron afbeelding:wikimedia

Worm integreren in een robot

In 2014 bracht het OpenWorm-project de verbindingen tussen 302 neuronen van de worm in kaart en simuleerde deze in software. Vervolgens implementeerden ze het softwareprogramma in een kleine LEGO-robot. Het primaire doel was om de Caenorhabditis elegans volledig te simuleren als een virtueel organisme.

De lichaamsdelen en het neurale netwerk van de worm hebben LegoBot-equivalenten:de neuronen in de neus van de worm werden vervangen door een sonarsensor op de robot. De motorneuronen die aan beide kanten van de worm naar beneden lopen, corresponderen met motoren rechts en links van de robot. Over het geheel genomen gedraagt de robot zich vrijwel hetzelfde als Caenorhabditis elegans.

De simulatie is niet 100 procent nauwkeurig; er zijn een paar parameters in de software nodig om een neuronenvuur te activeren. Het werk dat ze hebben verricht is echter meer dan indrukwekkend, aangezien de robot geen enkel commando of geprogrammeerde instructies uitvoert. Het enige dat erin zit is een netwerk van verbindingen die de hersenen van de worm nabootsen.

Meer specifiek is het model nauwkeurig in zijn verbindingen en gebruikt het UDP-pakketten om neuronen af te vuren. Als 2 neuronen bijvoorbeeld 3 synaptische verbindingen hebben, wordt, wanneer het eerste neuron vuurt, een UDP-pakket verzonden naar het 2e neuron met de payload ‘3’.

Bron:I Programmeur

Onderzoekers hebben zowel het IP-adres als het poortnummer gebruikt om elk neuron te adresseren. Het hele neuron verzamelt de gewichten en vuurt af als het een drempelwaarde overschrijdt. De accumulator wordt gereset als de neuronen vuren of als er binnen een tijdsbestek van 200 milliseconden geen bericht binnenkomt. Dit is iets dat lijkt op wat er gebeurt in een feitelijk neuraal netwerk.

Afbeeldingsbron:YouTube  

De sensoren die aan de Lego-robot zijn bevestigd, worden elke 100 milliseconden bemonsterd. Het is net zo bedraad als de neus van een worm. Als er iets binnen een afstand van 20 centimeter komt, stuurt het sensorische neuronen in de netwerken.

Hetzelfde concept wordt toegepast op de 95 motorneuronen, en motorsignalen worden verzameld en gebruikt om de beweging en snelheid van elke motor te regelen. Deze motorneuronen kunnen remmend of prikkelend zijn, en er wordt gebruik gemaakt van negatieve en positieve neuronen.

Het OpenWorm-project

Het OpenWorm-project gaat tot op de dag van vandaag door en brengt verbeteringen aan in simulaties en visualisaties. Ze onderzoeken de ontwikkeling van wormen en richten zich op het ontwikkelingsproces van nematoden en andere levensvormen door middel van data-analyse en simulatie.

Ze hebben een nieuwe interactieve benadering ontwikkeld om met wormen in de browser te spelen, een plug-and-play-platform genaamd Geppetto. Bovendien gebruiken ze optimalisatietechnieken zoals genetische algoritmen om de modellen aan te passen en te verfijnen, zodat ze passen in experimentele gegevens van echte cellulaire waarnemingen.

Lees:Een levende tatoeage die genetisch geprogrammeerde bacteriën gebruikt

De volgende stap is het verbinden van het menselijk brein – iets dat bekend staat als connectoom. Zelfs als we in de nabije toekomst geen menselijke hersenen op computers kunnen uploaden, zou alleen al het kunnen simuleren van een heel brein een revolutie teweegbrengen in de kunstmatige intelligentie. En als we deze mijlpaal ooit zouden kunnen bereiken, zouden de toepassingen en mogelijkheden zo groot zijn dat we ons dat op dit moment niet kunnen voorstellen.