Вирутальная модель нематоды C. Elegans

В этой статье я хотел бы рассказать вам о нашем проекте.

ЗАДАЧА


Проект посвящен созданию действующей трехмерной компьютерной модели нематоды C. Elegans, то есть модель, включающую сенсорную, нервную и мышечную системы, взаимодействующие между собой и рассматриваемые в физическом окружении. Фундаментальная проблема, на решение которой направлен проект — выяснить, возможно ли на основе современных моделей биологического нейрона воспроизвести поведение виртуального организма, близкое к оригиналу. Модельным организмом, как уже было сказано выше, был взят C.Elegans (свободно живущая нематода). Наш выбор пал именно на этой нематоде, не просто так, C. Elegans — наиболее изученный многоклеточный организм, на сегодняшний день есть данные не только обо всех нейронах, но и о связях между ними (302 нейрона, более 5000 синапсов, более 2000 нейромышечных соединений и 95 мышечных клеток, осуществляющих движение, весь организм состоит из 959 клеток). В этой связи нематода C. Elegans представляется не просто одним из возможных объектов исследования, а ключом к проблеме интеллекта, поскольку обладает рядом уникальных свойств – инвариантностью строения нервной системы, упрощающей задачу наблюдения за состояниями нейронов в живом организме, предельно высокая изученность строения на сегодняшний день, и достаточно сложный спектр поведенческих реакций при относительной простоте нервной системы. Создание полнофункциональной виртуальной копии C. Elegans позволит заложить фундамент для изучения нервной системы значительно более сложных существ, а также существенно расширить возможности проектирования искусственных нейронных сетей, используя выявленные механизмы и паттерны, присущие биологическим нейронным сетям, что представляет исключительный интерес как для нейробиологии, так и для областей знаний, связанных и искусственным интеллектом.

ЧТО СДЕЛАНО


На данный момент достигнуты следующие результаты. Сделан симулятор мышечной системы и окружения, в котором модель функционирует. В его основе лежит физическая модель, построенная в виде системы связанных точечных масс и пружин; последние могут сокращаться под действием посылаемых им сигналов нервных импульсов от моторных нейронов пропорционально интенсивности сигнала. Система дифференциальных уравнений, описывающая модель, численно решается на каждом шаге, учитывая гравитацию, трение, реакцию опоры от поверхности и т.д. В модели используются экспериментальные данные о координатах нейронов и связях между ними; координаты нейронов динамически связаны с пружинно-мышечным каркасом C. Elegans. В рамках этой модели мы можем регистрировать для каждой точки момент касания поверхности и посылать сигнал соответствующим клеткам-детекторам тактильных ощущений, а в случае активации моторных нейронов сокращать те или иные мышцы. На данный момент сделана нейронная сеть мотонейронов (моторный контур), которые управляют поведением мышечной системы организма, эта нейронная сеть станет подсетью большей сети, охватывающей все нейроны C. Elegans. На данный момент мы реализуем нейронную сеть, полностью повторяющую нейронную сеть живого червя.
Все модель реализуется на С++. Визуализация осуществляется при помощи OpenGl.



Разноцветными надписями помечены названия нейронов

Виртуальный C. Elegans

На рисунке разноцветными сферами представлены нейроны.

Проект реализуется в Лаборатория моделирования сложных систем, института систем информатики имени А. П. Ершова СО РАН. Проект выполняется командой из трех человек, Андрея Юрьевича Пальянова, непосредственного руководителя проекта и по совместительству моего научного руководителя, мной и Александром Дибертом.
Поделиться публикацией
Комментарии 21
    0
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        +3
        Это модель червяка как он есть в природе, ничего ему добавлять не нужно, важно повторить то же поведение что и у реального червяка, имея всю информацию по связям нейронов. Если удастся, то можно сказать, что это первый шаг к моделированию реальных нервных систем. А далее уже более сложные модели насекомых, которые можно использовать для множества задач.
        0
        Моторный контур работает один в один как у живой нематоды?
          +2
          Да, он даже более того анатомически и физиологически очень похож на моторный контур живого червя. Еще хотелось бы добавить пока, что сделан моторный контур только для нейронов отвечающих за ползанье червячка вперед
            0
            Понятно. Из статьи я подумал, что вы хотите воспроизвести один в один (синапс в синапс), а не по функциональной схожести работы разных «узлов».
              +1
              Вы правильно подумали) именно один в один как у живого червя, ну «один в один»(насколько конечно данные позволяют), состав нейронной сети у виртуальной копии такой же как и у живой, ну и соответственно каждый нейрон нашей нейросети выполняет функцию, что и его живой прототип(опять же насколько данные позволяют), может быть я не правильно ответил)
                +1
                Хм… Если в вашей виртуальной схеме а) связи между нейронами повторяют связи в черве, т.е. в схеме нет ни одного синапса, которого нет в черве (и нет в схеме синапсов, которых нет в черве), и б) схема работает как у червя,
                то получается что ваша программная модель нейрона уже функционально идентична живому нейрону. Т.е. — светит нобелевка )
          +1
          Интересно! Спасибо за статью и хотелось бы побольше подробностей.
          Кстати, в Университете Саутгемптона моделировали нематоду ещё 10 лет назад:

          Claverol, E. T., Cannon, R. C., Chad, J. E. and Brown, A. D. (1999) Event based neuron models for biological simulation: a model of the locomotion circuitry of the nematode C. elegans. pp. 217-223, World Scientific Engineering Society Press. ISBN 960-8052-05-X

          На презентации у них я видел похожее видео движущейся C.Elegans. Эти исследования до сих пор не закончили и совсем недавно смоделировали локомоторную систему в VHDL.

          Bailey, J., Wilson, P., Brown, A. and chad, j. (2008) Behavioural Simulation and Synthesis of Biological Neuron Systems using VHDL. In: BMAS.
            +2
            Спасибо! Обязательно ознакомлюсь с публикациями
            0
            Очень круто.

            Два глупых вопроса от неспециалиста:

            1. Какая часть поведения обусловлена химическими процессами (сигнальными белками и прочим), и проходит помимо синапсов? Намерены ли вы это учитывать?

            2. Реально ли снять одномоментное состояние всех синапсов живого червяка с целью моделировать заведомо рабочую систему?
              +2
              1. Пока подобные процессы мы пока не рассматриваем, пока что цель смоделировать рабочую нейросеть. В будущем, думаю, поработаем и над этим.
              2. Нет, не думаю, что это реально пока что таких технологий нет)
              +1
              Да, здорово! Молодцы.
              Но хотелось бы побольше информации о модели нейрона и нейронной сети, и о деталях реализации.
              Планируете выкладывать подробности?
                +2
                Спасибо! Да конечно, планируем, вообще мы написали статью, и сечас она рецензируется, в случае если её примут до публикации, то я с удовольствием ознакомлю всех желающих с ней, ну и конечно буду переодически расказывать на habrahabr, что нового мы сделали и каких результатов достигли.
                0
                Очень клёво он ползёт, аж завораживает ))
                  –1
                  Не.., то есть, вы создали какую-то модель реального мира для того, как описывать окружающие условия, чтобы вычислять поведение червя. Можете вы выложить, какие у вас входят параметры в программу моделирования — какие данные вы скармливаете в ваш алгоритм? Координаты в пространстве каждой клетки червя? Напряжения на концах нейронов? Пару *.h файлов вполне можно было бы выложить, чо

                  Но, вообще, по правде, круто вы загоняетесь, читать вообще в кайф.
                    0
                    Круто сделано!
                    Возникает философский вопрос, а зачем и почему нематоде что-то надо делать, куда-то двигаться и вообще какая у неё в жизни цель? зачем она живёт? )) По идее, согласно современным научным представлениям, управляющие сигналы такого рода зарождаются где-то нервной системе, в вашей работе это как-то моделируется?
                      0
                      Как дела с проектом, спустя почти 2 года?
                        +1
                        Здравствуйте, за почти два года много чего изменилось:), на данный момент я пишу статью с последними новостями из проекта, сейчас на нее не могу уделять много времени, но потихоньку пишу. Так что скоро о всех новостях напишу подробнее.
                          0
                          Здорово, надеюсь я не пропущу. Очень интересует эта тема. Спасибо.

                          Может вы подскажете какой-нибудь авторитетный источник информации на эту тематику?

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое