„Stellen Sie Tu Hengyu Fragen, verstehen Sie Tu Hengyu und werden Sie Tu Hengyu.“

In „The Wandering Earth 2“ ist Andy Laus Tu Hengyu eine beeindruckende Figur. Um seiner Tochter, die bei einem Autounfall ums Leben kam, ein „vollständiges Leben“ zu ermöglichen, ignorierte er das Verbot der Menschenwelt für das „Digital Life Project“ und arbeitete heimlich allein daran, die Struktur des digitalen Lebens zu verbessern, und beschloss schließlich, es zu tun verstieß offen gegen die Regeln und lud die Daten seiner Tochter auf Quantencomputer hoch und wurde dafür später inhaftiert. 2 Die digitale Lebenskarte im Film „Wandering Earth 2“.

Nach der Veröffentlichung des Films wurde viel über das Thema „Digitales Leben“ diskutiert.

In letzter Zeit wurde dieses Thema erneut angesprochen, da viele Menschen, die Verwandte und Freunde verloren haben, versuchen, mithilfe der KI-Technologie den Verstorbenen „wiederzubeleben“ und eine Reihe virtueller Videos zu produzieren, die das Bild des Verstorbenen enthalten. Ein Kommentar „Stelle Tu Hengyu Fragen, verstehe Tu Hengyu und werde Tu Hengyu“ wurde Zehntausende Male geliked.

Allerdings sind die meisten dieser Videos nicht interaktiv. Selbst wenn die interaktive Funktion eingerichtet ist, erscheint die Person auf dem Bildschirm nach aktuellem Stand der Technik gefälscht, da dies gegen einige körperliche Intuitionen verstößt. Schließlich ist es immer noch ein ungelöstes Problem, die physische Welt zu verstehen und sich nach den Gesetzen der physischen Welt zu bewegen und zu denken. Selbst das kürzlich populäre Sora-Videogenerationsmodell gilt als nicht dazu in der Lage.

Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass ein „digitales Leben“, das der Realität wirklich ähneln kann, über ein autonomes Bewusstsein verfügt. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht kein Konsens darüber, was Bewusstsein ist und wie es aufgebaut ist. Daher ist das wahre „digitale Leben“ tatsächlich noch weit von uns entfernt.

Wissenschaftler für künstliche Intelligenz und Neurowissenschaftler bündeln jedoch ihre Kräfte, um in diese Richtung zu arbeiten.

Neurowissenschaften + Künstliche Intelligenz: Erstellen Sie eine realistische Fruchtfliege im Computer

Dies ist eine virtuelle Fruchtfliege, die gemeinsam von Google DeepMind und dem Janelia Research Park in den Vereinigten Staaten (einer vom Howard Hughes Medical Institute gegründeten neurowissenschaftlichen Forschungseinrichtung) entwickelt wurde. Sie kann wie eine echte Fruchtfliege laufen und fliegen.

^{Dieses Video zeigt, dass die virtuelle Fruchtfliege die Flugbewegung einer echten Fruchtfliege nachahmt (spontane Drehung) und beim Drehen nach links und rechts Befehle zum Gehen mit einer Geschwindigkeit von 2 cm/Sekunde ausführt. Das Modell ahmt auch die Laufbahn einer echten Fruchtfliege nach, einschließlich Gehen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, Drehen und kurzem Anhalten.}

Gleichzeitig ist es auch die bisher realistischste Fruchtfliegensimulation, die ein neues anatomisch genaues Modell, einen schnellen Physiksimulator und ein künstliches neuronales Netzwerk kombiniert, das auf das Verhalten von Fruchtfliegen trainiert wurde, um das Verhalten von Fruchtfliegen nachzuahmen Echte Fruchtfliegen-Action.

Neben dem Gehen und Fliegen auf komplexen Flugbahnen kann die virtuelle Fruchtfliege ihren Flug auch mit ihren Augen steuern und steuern.

„Man nimmt echte Fruchtfliegendaten – wie sie fliegen, wie sie gehen – trainiert das Netzwerk, diese Aktionen nachzuahmen, und lässt dann dieses trainierte Netzwerk die Fruchtfliege steuern und der Fruchtfliege sagen, wie sie sich bewegen soll“, sagte Roman Vaxenburg, ein Forscher für maschinelles Lernen im Labor von Janelia Turaga, der das Projekt leitete. „Es ist wie ein kleines Gehirn, das die Bewegungen der Fliege steuert“, sagte er.

Das neue Modell ist die erste Version der virtuellen Fruchtfliege des Teams und sie planen, sie durch mehr anatomische und sensorische Merkmale sowie echte neuronale Netze realistischer zu gestalten. Es ist auch das erste einer Reihe realistischer Tiermodelle, die sie erhoffen. Sie und andere Forscher können nun dieses gemeinsame Open-Source-Framework nutzen, um diese Modelle zu entwickeln.

Diese Modelle können Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie das Nervensystem, der Körper und die Umwelt zusammenarbeiten, um das Verhalten zu steuern. Forscher gehen diesen Fragen seit Jahrzehnten im Labor mit realen Tieren nach. Mithilfe lebensechter virtueller Modelle können Wissenschaftler verstehen, wie all diese Komponenten miteinander verbunden sind und welche Faktoren im Labor nicht gemessen werden können – etwa wie Kräfte auf sie einwirken Der Körper während des Fluges beeinflusst das Verhalten.

„Die Simulation des Körpers kann Ihnen sagen, wie Anweisungen des Nervensystems in Bewegungen und Verhaltensweisen umgesetzt werden, und dieses „Wie“ hat mit der Form des Körpers und der Physik zu tun, wie der Körper mit der Welt interagiert „All dies ist in dieser Physiksimulation programmiert“, sagte Srinivas Turaga, leitender Wissenschaftler und Leiter von Janelias Team.

^{Dieses Video zeigt ein Fruchtfliegenmodell, das einen direkten Flugbefehl in einer festen Höhe mit einer Geschwindigkeit von 30 cm/s ausführt. Das Fruchtfliegenmodell reproduziert dann die Flugbewegungen echter Fruchtfliegen: vermeintliche Bedrohungen vermeidend und spontan umdrehen. Als nächstes wird ein Fruchtfliegenmodell gezeigt, das einen Gehbefehl mit einer Geschwindigkeit von 2 cm/s ausführt, während es sich nach links und rechts dreht. Anschließend simuliert das Fruchtfliegenmodell die Laufbahn einer echten Fruchtfliege, einschließlich Gehen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, Drehen und Drehen kurz anhalten.}

Das neue Modell baut auf früheren Arbeiten zur Simulation des Verhaltens von Fruchtfliegen auf, einschließlich der „Grand Unified Fly“, die einen vereinfachten Fliegenkörper und ein manuelles Steuerungssystem zur Flugsimulation verwendet. Der kürzlich eingeführte NeuroMechFly nutzt ein realistisches Körpermodell und ein manuelles Steuerungssystem mit Lernkomponente zur Simulation des Gehens.

In der neuen Studie haben sich Janelia-Forscher und DeepMind-Wissenschaftler unter der Leitung der leitenden Forscher Yuval Tassa und Josh Merel zum Ziel gesetzt, die Anatomie, Biomechanik, Physik und das Verhalten der Fruchtfliegenmodellinformationen zu verbessern, um ein realistischeres Modell zu schaffen Drosophila-Simulation, die eine Vielzahl von Verhaltensweisen ausführen kann. Diese Arbeit ist eine von mehreren Kooperationen zwischen Janelia und DeepMind, die ihre jeweilige Expertise in Neurowissenschaften und künstlicher Intelligenz nutzen, um gemeinsam wissenschaftliche Probleme zu lösen.

Matthew Botvinick, leitender Forschungsdirektor bei DeepMind, sagte: „Während allgemein anerkannt ist, dass das Verständnis der Gehirnfunktion vom Verständnis des Körpers und seiner Interaktionen mit anderen physischen Objekten abhängt, strebt die computergestützte Neurowissenschaftsforschung selten danach, dies zu tun.“ Beim Brainstorming mit Srini und anderen Mitgliedern dieses Teams wurde uns klar, dass es eine spannende Möglichkeit gab, alle Teile im Kontext der Drosophila-Forschung zusammenzuführen.“

In Zukunft wird es virtuelle Mäuse, virtuelle Zebrafische, virtuelle ... geben.

Der gesamte Prozess der Entstehung von Fruchtfliegen lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Zuallererst Janelia-Forschung Experte Igor Siwanowicz nutzte Mikroskope, um verschiedene Teile der erwachsenen weiblichen Fruchtfliege abzubilden, und mithilfe von Computersoftware wurde ein anatomisch genaues virtuelles In-vitro-Modell der Fliege erstellt, einschließlich der Bewegung der Gelenke und Gliedmaßen der Fliege.

DeepMind-Forscher – darunter Tassa, Merel und der Forschungsingenieur Guido Novati – wandelten dieses virtuelle Modell in Code um und speisten ihn in den MuJoCo-Simulator ein, einen schnellen Open-Source-Design-Simulator für Robotik und Biomechanik. Mit dem Tool können Forscher virtuell simulieren, wie sich Objekte in der realen Welt bewegen und interagieren.

Zur Unterstützung des Fruchtfliegenmodells haben die Forscher den Simulator erheblich verbessert, einschließlich Adhäsionsaktoren, um die Kräfte zu simulieren, die entstehen, wenn Insektenfüße eine Oberfläche greifen. Das Team bat Novati außerdem, ein neues hydrodynamisches Modell zu entwerfen, um die Kräfte zu beschreiben, denen Fruchtfliegen beim Flug durch die Luft ausgesetzt sind. Das Modell kann eine Vielzahl aerodynamischer Verhaltensweisen unterstützen, einschließlich der Flügelausbreitung, sagte Tassa, leitender Autor des Projekts. Hier nutzten sie End-to-End-Reinforcement-Learning.

                                                                                                                                                                                       ^{Flugsimulation.}

^{Gehsimulation.}

                                                                          ^{Flugmissionen mit visueller Führung: Höhenkontrolle und Vermeidung von Hindernissen.}

Tassa sagte auch: „Da die Kräfte, die auf die Fruchtfliege wirken, so gering sind, ist die Modellierung eines so kleinen Insekts eine große Herausforderung.“

Als nächstes baute Vaxenburg ein künstliches neuronales Netzwerk und trainierte es reales Verhalten von Fruchtfliegen durch Einspeisung von Videoinformationen in das Netzwerk, die von Experten für Fruchtfliegenverhalten aufgezeichnet wurden, darunter die leitenden Gruppenleiter von Janelia, Kristin Branson und Michael Reiser, sowie der HHMI-Forscher Gwyneth Card und der Caltech-Professor Michael Dickinson.

Vaxenburg sagte: „Unser Ziel ist es, die Wiedergabetreue zu verbessern, was durch die Arbeit an zwei Aspekten erreicht wird: Zum einen soll die Erfassung anatomischer Details, also der Struktur der Fruchtfliege, verbessert werden Verhalten, das heißt die Fliege Aktionen und Reaktionen.“

^{Das Bild oben zeigt den Körperaufbau und die Freiheitsgrade des Fruchtfliegenmodells. Das Drosophila-Modell besteht aus 67 Körperteilen, die durch 66 Gelenke verbunden sind, was 102 Freiheitsgraden entspricht. Die Abbildung zeigt einen Ablauf, bei dem sich alle Freiheitsgrade sinusförmig bewegen.}

Dieses neue Modell ist erst der Anfang. Als nächstes hofft das Team, andere Teile der Anatomie der Fliege, wie Muskeln und Sehnen, sowie realistische Sinnessysteme in das virtuelle Insekt zu integrieren, um ein realistischeres Fliegenmodell zu erstellen. Sie hoffen auch, echte neuronale Netze wie das ventrale Nervenstrang-Connectome von Drosophila nutzen zu können, um das Modell anzutreiben.

Nachdem das Forschungsteam nun gezeigt hat, dass es solche realistischen virtuellen Modelle erstellen kann, möchte es in Zukunft auch virtuelle Mäuse und Zebrafische erstellen, zwei Organismen, die von Neurowissenschaftlern umfassend untersucht werden. Das Verfahren, mit dem sie virtuelle Fruchtfliegen erschaffen haben, steht Forschern auf der ganzen Welt auch frei zur Verfügung, sodass andere ihre eigenen realistischen Modelle erstellen können.

Turaga sagte: „Wir haben gezeigt, wie das geht, und wir können es wieder für einen anderen Organismus tun.“

Aktuell wurde ein Artikel zu diesem Forschungsergebnis auf bioRxiv veröffentlicht. Die Autoren schreiben in der Zusammenfassung der Arbeit: „Der Körper des Tieres bestimmt, wie das Nervensystem Verhalten erzeugt. Daher erfordert eine detaillierte Modellierung der neuronalen Steuerung des sensomotorischen Verhaltens ein detailliertes Körpermodell.“ Der Körper in der MuJoCo-Physik-Engine wird bereitgestellt. Es wird ein anatomisch detailliertes biomechanisches Ganzkörpermodell von Drosophila melanogaster bereitgestellt, der virtuellen Drosophila, die wir zuvor vorgestellt haben.

Papierlink: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.11.584515v1

In den sozialen Medien erregte diese Forschung die Aufmerksamkeit vieler Internetnutzer. Einige Leute fragten: Wird es evolve? Jemand anderes fragte: Können sie auch ein Modell herstellen, das einen Menschen simuliert?

Diese Internetnutzer lieferten sogar neue Forschungsideen:

Das sieht alles sehr vielversprechend aus.

Aber abgesehen von diesen entfernten Assoziationen ist diese Fruchtfliegenforschung auch für die aktuelle Gesundheitsforschung von großer Bedeutung und kann die Forschung in einer Reihe von Bereichen von der Arzneimittelentdeckung bis zur Krankheitsmodellierung unterstützen.

^{Referenzlink: https://www.janelia.org/news/artificial-intelligence-brings-a-virtual-fly-to-life}

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