Wissenschaftler simulieren das Gehirn eines Wurms in einem LEGO-Roboter und demonstrieren damit einen Durchbruch bei der neuronalen Kartierung

• Wissenschaftler haben das Gehirn eines Spulwurms (Caenorhabditis elegans) in einen Lego-Roboter eingebaut. 
• Sie haben Verbindungen zwischen den 302 Neuronen des Wurms kartiert und sie in Software simuliert. 
• IP-Adresse und Portnummer werden zur Adressierung jedes Neurons verwendet.

Das Gehirn ist viel mehr als nur eine Ansammlung elektrischer Signale. Wenn der Mensch lernen kann, diese Signale zu speichern, ohne sie zu verzerren, könnten wir das Gehirn einer Person in einen Computer laden und sie für immer in einer Form des digitalen Bewusstseins leben lassen, wie im Hollywood-Film Transcendence.

Zumindest mit menschlichen Gehirnen sind die Forscher nicht annähernd an eine solche Leistung herangekommen, haben aber in der Vergangenheit einige Meilensteine erreicht. Einem internationalen Forschungsteam ist es beispielsweise gelungen, das Gehirn eines Spulwurms in einen Lego-Roboterkörper einzubauen.

Der von ihnen verwendete Spulwurm ist Caenorhabditis elegans, ein frei lebender transparenter Fadenwurm mit einer Länge von etwa 1 Millimeter. Es lebt in gemäßigten Bodenumgebungen und hat kein Atmungs- und Kreislaufsystem. Ihre Gene und ihr Nervensystem wurden mehrfach untersucht.

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Wurm in einen Roboter integrieren

Bereits 2014 kartierte das OpenWorm-Projekt die Verbindungen zwischen 302 Neuronen des Wurms und simulierte sie in einer Software. Anschließend implementierten sie das Softwareprogramm in einen kleinen Legoroboter. Das Hauptziel bestand darin, den Caenorhabditis elegans vollständig als virtuellen Organismus zu simulieren.

Die Körperteile und das neuronale Netzwerk des Wurms haben LegoBot-Äquivalente – die Nasenneuronen des Wurms wurden durch einen Sonarsensor am Roboter ersetzt. Die Motoneuronen, die auf beiden Seiten des Wurms herunterlaufen, entsprechen den Motoren auf der rechten und linken Seite des Roboters. Insgesamt verhält sich der Roboter sehr ähnlich wie Caenorhabditis elegans.

Die Simulation ist nicht zu 100 Prozent genau – einige Parameter in der Software erfordern, dass ein Neuron ausgelöst wird. Allerdings ist die geleistete Arbeit mehr als beeindruckend, wenn man bedenkt, dass der Roboter nicht auf Befehle oder programmierte Anweisungen reagiert. Alles, was es enthält, ist ein Netzwerk von Verbindungen, das das Gehirn des Wurms nachahmt.

Genauer gesagt ist das Modell präzise in seinen Verbindungen und nutzt UDP-Pakete, um Neuronen auszulösen. Wenn zwei Neuronen beispielsweise drei synaptische Verbindungen haben, wird beim Auslösen des ersten Neurons ein UDP-Paket mit der Nutzlast „3“ an das zweite Neuron übertragen.

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Forscher haben sowohl die IP-Adresse als auch die Portnummer verwendet, um jedes Neuron anzusprechen. Das gesamte Neuron aggregiert die Gewichte und löst aus, wenn es einen Schwellenwert überschreitet. Der Akkumulator wird zurückgesetzt, wenn die Neuronen feuern oder wenn innerhalb eines 200-Millisekunden-Fensters keine Nachricht eintrifft. Dies ähnelt in etwa dem, was in einem tatsächlichen neuronalen Netzwerk geschieht.

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Die am Lego-Roboter angebrachten Sensoren werden alle 100 Millisekunden abgetastet. Es ist wie die Nase des Wurms verdrahtet. Wenn etwas in die Nähe von 20 Zentimetern kommt, sendet es sensorische Neuronen in die Netzwerke.

Das gleiche Konzept wird auf die 95 Motoneuronen angewendet. Motorsignale werden gesammelt und zur Steuerung der Bewegung und Geschwindigkeit jedes Motors verwendet. Diese Motoneuronen können hemmend oder erregend sein und es werden negative und positive Neuronen verwendet.

Das OpenWorm-Projekt

Das OpenWorm-Projekt wird bis heute fortgesetzt und führt zu Verbesserungen bei Simulationen und Visualisierungen. Sie erforschen die Entwicklung von Würmern und konzentrieren sich durch Datenanalyse und Simulation auf den Entwicklungsprozess bei Nematoden und anderen Lebensformen.

Sie haben einen neuen interaktiven Ansatz zum Spielen mit Würmern im Browser entwickelt, eine Plug-and-Play-Plattform namens Geppetto. Darüber hinaus nutzen sie Optimierungstechniken wie genetische Algorithmen, um die Modelle so zu optimieren und zu verfeinern, dass sie in experimentelle Daten aus realen Zellbeobachtungen passen.

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Der nächste Schritt besteht darin, das menschliche Gehirn zu verbinden – etwas, das als Konnektom bekannt ist. Selbst wenn wir in naher Zukunft keine menschlichen Gehirne auf Computer hochladen können, würde allein die Simulation eines gesamten Gehirns dazu beitragen, die künstliche Intelligenz zu revolutionieren. Und wenn wir diesen Meilenstein eines Tages erreichen könnten, wären die Anwendungen und Möglichkeiten so umfangreich, dass wir uns das derzeit nicht vorstellen können.