Wissenschaftler simulieren Wurmgehirn in LEGO-Roboter: Durchbruch bei neuronaler Kartierung

• Wissenschaftler setzten das Gehirn eines Fadenwurms (Caenorhabditis elegans) in einen LEGO-Roboter ein.
• Sie kartierten die Verbindungen zwischen den 302 Neuronen des Wurms und simulierten sie in Software.
• IP-Adressen und Portnummern werden verwendet, um jedes Neuron anzusprechen.

Das Gehirn ist weit mehr als nur eine Ansammlung elektrischer Signale. Wenn der Mensch lernt, diese Signale ohne Verzerrung zu speichern, könnten wir ein Gehirn in einen Computer hochladen und so ein digitales Bewusstsein schaffen – wie im Hollywood-Film „Transcendence“.

Forscher sind diesem Ziel mit menschlichen Gehirnen noch nicht nahegekommen, haben aber Meilensteine erreicht. Ein internationales Team schaffte es beispielsweise, das Gehirn eines Fadenwurms in einen LEGO-Roboterkörper zu übertragen.

Der verwendete Fadenwurm ist Caenorhabditis elegans, ein freilebender, transparenter Nematode von ca. 1 mm Länge. Er lebt in gemäßigten Böden und besitzt weder Atmungs- noch Kreislaufsystem. Seine Gene und Nervensysteme wurden vielfach untersucht.

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Integration des Wurms in einen Roboter

2014 kartierte das OpenWorm-Projekt die Verbindungen zwischen den 302 Neuronen des Wurms und simulierte sie in Software. Anschließend implementierten sie das Softwareprogramm in einen kleinen LEGO-Roboter. Das primäre Ziel war die vollständige Simulation von Caenorhabditis elegans als virtuelle Organismus.

Körperteile und neuronales Netzwerk des Wurms haben LEGO-Bot-Entsprechungen: Die Nasen-Neuronen des Wurms wurden durch einen Sonarsensor am Roboter ersetzt. Die Motorneuronen entlang beider Seiten des Wurms entsprechen den Motoren rechts und links am Roboter. Insgesamt verhält sich der Roboter Caenorhabditis elegans sehr ähnlich.

Die Simulation ist nicht 100 % genau – einige Softwareparameter müssen ein Neuron zum Feuern auslösen. Doch die geleistete Arbeit ist mehr als beeindruckend, da der Roboter keine programmierten Anweisungen ausführt. Er enthält lediglich ein Netzwerk von Verbindungen, das das Gehirn des Wurms nachahmt.

Genauer: Das Modell ist präzise in seinen Verbindungen und nutzt UDP-Pakete, um Neuronen zum Feuern zu bringen. Haben zwei Neuronen drei synaptische Verbindungen, sendet das erste Neuron beim Feuern ein UDP-Paket mit Payload „3“ an das zweite.

Quelle: I Programmer

Forscher nutzten IP-Adressen und Portnummern, um jedes Neuron anzusprechen. Das gesamte Neuron aggregiert die Gewichte und feuert, wenn ein Schwellenwert überschritten wird. Der Akkumulator wird zurückgesetzt, wenn das Neuron feuert oder innerhalb von 200 Millisekunden keine Nachricht eintrifft. Dies ähnelt dem Verhalten echter neuronaler Netze.

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Die am LEGO-Roboter angebrachten Sensoren werden alle 100 Millisekunden abgetastet. Sie sind wie die Nase des Wurms verdrahtet: Nähert sich etwas auf 20 cm, sendet es sensorische Neuronen in das Netzwerk.

Dasselbe Konzept gilt für die 95 Motorneuronen; Motorsignale werden gesammelt und steuern Bewegung und Geschwindigkeit jedes Motors. Diese Motorneuronen können inhibitorisch oder exzitatorisch sein, wobei negative und positive Werte verwendet werden.

Das OpenWorm-Projekt

Das OpenWorm-Projekt läuft bis heute und verbessert Simulationen und Visualisierungen kontinuierlich. Es erforscht die Entwicklung des Wurms und konzentriert sich auf Entwicklungsprozesse bei Nematoden und anderen Lebensformen durch Datenanalyse und Simulation.

Sie entwickelten einen neuen interaktiven Ansatz, um mit dem Wurm im Browser zu spielen – eine Plug-and-Play-Plattform namens Geppetto. Zudem nutzen sie Optimierungstechniken wie genetische Algorithmen, um Modelle an experimentelle Daten aus echten Zellbeobachtungen anzupassen.

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Der nächste Schritt ist die Vernetzung des menschlichen Gehirns – bekannt als Konnektom. Selbst wenn wir menschliche Gehirne nicht in naher Zukunft auf Computer hochladen können, würde die Simulation eines ganzen Gehirns die künstliche Intelligenz revolutionieren. Und sollten wir diesen Meilenstein einmal erreichen, wären die Anwendungen und Möglichkeiten so gewaltig, dass wir sie heute kaum erahnen können.