Wormbrein in Lego robot (video)

Kan een digitaal gesimuleerd brein in een computer takenprecies zo uitvoeren als een echt brein? Voor eenvoudige commando’s lijkt die vraag bevestigend te kunnen worden beantwoord. Onderzoekers van het OpenWorm project hebben onlangs een gesimuleerd wormbrein gekoppeld aan een robot op wielen. Zonder dat hij daarvoor expliciet was geprogrammeerd, kon de robot vooruit en achteruit bewegen en obstakels omzeilen – uitsluitend op basis van externe stimuli en digitale neuronen.

Hoewel er al andere robots zijn die hetzelfde kunnen dank zij traditionele software, toont het onderzoek aan dat een digitaal gesimuleerd brein zich kan gedragen als het biologische voorbeeld. De demonstratie heeft daarom implicaties voor de grote brein-projecten.

Het Human Brain Project in Europa en het Brain Initiative in de VS zijn er op gericht om de interconnecties in het menselijke brein in kaart te brengen en dan ooit het brein digitaal te simuleren. Zo’n simulatie zou kunnen leiden tot nieuwe inzichten in ziektes of tot doorbraken in de computerwetenschappen.

Eenvoudig beginnen

Het gesimuleerde brein in het  OpenWorm project is gebaseerd op de eenvoudige rondworm C. elegans. Dat is een extreem ongecompliceerd schepsel dat door de wetenschap intensief is onderzocht. Al in 1986 publiceerden wetenschappers de eerste ‘kaart‘ van de synaptische verbindingen in het brein van de  C. elegans.  Dat brein bevat 302 neuronen en 7000 synapsen. Ter vergelijking: het menselijk brein telt 86 miljard neuronen 100 biljoen synapsen. Of we die allemaal ooit in kaart kunnen (of moeten) brengen, is volgens velen discutabel.

Maar omdat we al een kaart hebben van C. elegans, vonden de onderzoekers van OpenWorm dat zij stimuli konden toevoeren met een paar externe sensoren. Om te zien welke instructies het brein zou geven op basis van die stimuli, werd het brein ondergebracht in een robot-lichaam.

Hoe werkt het? De hersencellen in het wormbrein zijn te onderscheiden in zintuigneuronen, actuatorneuronen en interneuronen (die de eerste twee met elkaar verbinden). Het OpenWorm team simuleerde deze neuronen en hun verbindingen met software. De digitale neuronen tellen ingangssignalen bij elkaar op en vuren als een drempel wordt overschreden, Dat is vergelijkbaar – hoewel niet exact hetzelfde – met het echte brein. De zintuigneuronen zijn gekoppeld aan de sensoren van de robot. Zo vervangt bijvoorbeeld een sonarsensor de neus van de worm. En de gesimuleerde actuator- of motorneuronen besturen de linker en rechter motor van de robot – alsof het linker en rechter spiergroepen waren. Het is fascinerend om te zien dat de bewegingen van de robot sterk lijken op die van de worm.

Opschalen?

De simulatie is niet perfect en de robot heeft niet zoveel zintuiginformatie als de echte orm, maar de OpenWorm bot toont hoogstwaarschijnlijk wel aan dat een gesimuleerd digitaal brein zich net zo zou kunnen gedragen als een biologisch brein. En dat we niet alles tot in detail hoeven te begrijpen om het te laten werken: gedrag ontstaat door zelfstandige beslissingen.

In dit voorbeeld gaat het nog maar om heel simpel gedrag. De vraag is of het kan worden opgeschaald. Stel dat we een menselijk brein even nauwkeurig in kaart zouden kunnen brengen en dat we het in een virtuele of fysieke omgeving zouden stimuleren – zouden dan bepaalde karakteristieken die we associëren met het menselijk brein vanzelf tevoorschijn komen? Inclusief creativiteit en bewustzijn?

Er is maar één manier om daar achter te komen…