Harvard Neurowetenschappers en Google DeepMind creëren kunstmatige hersenen in virtuele rat

In een indrukwekkende samenwerking hebben onderzoekers van de Harvard University samengewerkt met wetenschappers van Google DeepMind om een kunstmatige hersenen te creëren voor een virtuele rat. Dit baanbrekende onderzoek, gepubliceerd in Nature, opent nieuwe deuren voor het bestuderen van hoe hersenen complexe bewegingen controleren met behulp van geavanceerde AI-simulatietechnieken.

De virtuele rattenhersenen bouwen

Om de hersenen van de virtuele rat te construeren, gebruikte het onderzoeksteam hoge-resolutiegegevens die waren opgenomen van echte ratten. De Harvard-onderzoekers werkten nauw samen met het DeepMind-team om een biomechanisch realistisch digitaal model van een rat te bouwen. Promovendus Diego Aldarondo werkte samen met DeepMind-onderzoekers om een kunstmatig neuronaal netwerk (ANN) te trainen, dat fungeert als de virtuele hersenen, met behulp van de krachtige machine learning-techniek diepe versterking leer.

Het neurale netwerk werd getraind om inverse dynamische modellen te gebruiken, die worden verondersteld door onze hersenen te worden gebruikt voor het leiden van bewegingen. Deze modellen stellen de hersenen in staat om de benodigde trajecten te berekenen en deze om te zetten in motorcommando’s voor het bereiken van een gewenste beweging, zoals het pakken van een kop koffie. Het neurale netwerk van de virtuele rat leerde om de benodigde krachten te genereren om een breed scala aan gedragingen te produceren, inclusief die welke niet expliciet waren getraind, door gebruik te maken van referentietrajecten die waren afgeleid van echte rattengegevens.

Ölveczky merkte op: “DeepMind had een pipeline ontwikkeld om biomechanische agenten te trainen om rond te bewegen in complexe omgevingen. Wij hadden gewoon niet de middelen om simulaties zoals die uit te voeren, om deze netwerken te trainen.” De samenwerking was “fantastisch”, voegde hij eraan toe, waarbij hij de cruciale rol benadrukte die de DeepMind-wetenschappers speelden bij het realiseren van deze doorbraak.

Het resultaat is een virtuele hersenen die in staat zijn om een biomechanisch realistisch 3D-ratmodel te controleren binnen een geavanceerde fysica-simulator, die de bewegingen van een echte rat nauwkeurig nabootst.

Mogelijke toepassingen

De virtuele rat met zijn kunstmatige hersenen presenteert een nieuwe aanpak voor het onderzoeken van de neurale circuits die verantwoordelijk zijn voor complexe gedragingen. Door te bestuderen hoe de AI-gegenereerde hersenen de bewegingen van de virtuele rat controleren, kunnen neurowetenschappers waardevolle inzichten verkrijgen in de complexe werking van echte hersenen.

Deze doorbraak kan ook de weg vrijmaken voor het ontwikkelen van meer geavanceerde robotbesturingssystemen. Ölveczky suggereert: “Terwijl ons lab geïnteresseerd is in fundamentele vragen over hoe de hersenen werken, kan het platform worden gebruikt, als één voorbeeld, om betere robotbesturingssystemen te ontwikkelen.” Door te begrijpen hoe de virtuele hersenen complexe gedragingen genereren, kunnen onderzoekers mogelijk meer geavanceerde en adaptieve robots ontwikkelen.

Misschien wel het meest spannend is dat dit onderzoek een nieuwe tak van “virtuele neurologie” kan mogelijk maken, waarin AI-gesimuleerde dieren dienen als handige en volledig transparante modellen voor het bestuderen van de hersenen, zelfs in ziektestaten. Deze simulaties kunnen een ongekend venster bieden in de neurale mechanismen achter verschillende neurologische aandoeningen, wat mogelijk kan leiden tot nieuwe behandelstrategieën.

Volgende stap: meer autonomie voor de virtuele rat

Op basis van dit baanbrekende onderzoek, zijn de onderzoekers van plan om de virtuele rat meer autonomie te geven om taken te verrichten die vergelijkbaar zijn met die van echte ratten. Ölveczky legt uit: “Uit onze experimenten hebben we veel ideeën over hoe dergelijke taken worden opgelost en hoe de leer-algoritmen die ten grondslag liggen aan het verwerven van vaardigheden, worden geïmplementeerd.”

Door de virtuele rat meer onafhankelijkheid te geven, kunnen de wetenschappers hun theorieën testen over de leer-algoritmen die het verwerven van nieuwe vaardigheden mogelijk maken. Dit kan waardevolle inzichten opleveren in hoe echte hersenen leren en zich aanpassen aan nieuwe uitdagingen.

Uiteindelijk is het doel om onze kennis te vergroten over hoe echte hersenen complexe gedragingen genereren. “We willen beginnen met het gebruik van de virtuele ratten om deze ideeën te testen en ons begrip te helpen vergroten van hoe echte hersenen complexe gedragingen genereren,” zegt Ölveczky. Door deze innovatieve aanpak verder te verfijnen en uit te breiden, kunnen neurowetenschappers en AI-onderzoekers samenwerken om de mysteries van de hersenen te ontrafelen en meer intelligente, adaptieve systemen te creëren.