在生物智能與人工智能交叉研究的領(lǐng)域中,一項(xiàng)突破性的成果近日由智源研究院揭曉。研究院推出的BAAIWorm天寶系統(tǒng),是一個(gè)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生物智能模擬系統(tǒng),首次實(shí)現(xiàn)了秀麗線蟲神經(jīng)系統(tǒng)、身體與環(huán)境的閉環(huán)仿真。
這一創(chuàng)新系統(tǒng)不僅構(gòu)建了線蟲的精細(xì)神經(jīng)系統(tǒng)模型,還將其身體和環(huán)境納入考量,形成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。通過模擬線蟲的行為,研究人員得以深入探索神經(jīng)結(jié)構(gòu)如何影響智能行為。這一工作為探索大腦與行為之間的神經(jīng)機(jī)制提供了全新的研究平臺(tái),標(biāo)志著生物智能研究邁入了一個(gè)新階段。
BAAIWorm天寶的重要進(jìn)展在國際科學(xué)界引起了廣泛關(guān)注。智源研究院理事長(zhǎng)黃鐵軍和生命模擬研究中心的馬雷等人,在《自然·計(jì)算科學(xué)》期刊上發(fā)表了相關(guān)研究成果,并榮幸地被選為期刊封面故事。這一成果不僅為研究生物智能提供了新的平臺(tái),也為具身智能理論的進(jìn)一步發(fā)展和人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
倫敦大學(xué)學(xué)院的Padraig Gleeson教授,作為OpenWorm團(tuán)隊(duì)的成員和本文的審稿人之一,對(duì)BAAIWorm天寶給予了高度評(píng)價(jià)。他指出,這是一項(xiàng)了不起的成果,將秀麗線蟲的生理學(xué)和解剖學(xué)信息整合進(jìn)了一個(gè)計(jì)算模型,在不同層面呈現(xiàn)了諸多進(jìn)展,構(gòu)成了一幅條理清晰的圖景。
《自然·計(jì)算科學(xué)》的資深編輯Ananya Rastogi同樣對(duì)這項(xiàng)工作表示贊賞,認(rèn)為動(dòng)態(tài)的機(jī)體與環(huán)境相互作用以及精細(xì)的模擬相結(jié)合,使得在閉環(huán)系統(tǒng)中研究大腦活動(dòng)如何影響行為成為可能。這一成果的另一審稿人也表示,這項(xiàng)研究為我們從整體上理解神經(jīng)系統(tǒng)建立了新的研究范式。
近年來,神經(jīng)科學(xué)和人工智能技術(shù)的深度交叉融合推動(dòng)了生物體模型在理解神經(jīng)系統(tǒng)與行為關(guān)系方面的應(yīng)用。國際上的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)在這一領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展,而BAAIWorm天寶無疑是其中的佼佼者。通過高精度還原和模擬生物智能,它為理解和探索生物啟發(fā)的具身智能的核心機(jī)制提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
在秀麗隱桿線蟲中,運(yùn)動(dòng)、覓食等行為是由其神經(jīng)回路、肌肉生物力學(xué)和實(shí)時(shí)環(huán)境反饋之間的協(xié)調(diào)互動(dòng)驅(qū)動(dòng)的。然而,傳統(tǒng)的模型往往將神經(jīng)系統(tǒng)或身體環(huán)境孤立開來,未能捕捉到支撐復(fù)雜行為的整體“大腦-身體-環(huán)境”交互。BAAIWorm天寶通過構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)的生物物理精細(xì)模型,成功解決了這一難題。
BAAIWorm天寶作為一個(gè)開源模塊系統(tǒng),由兩個(gè)子模型組成:一個(gè)是生物物理層面上精細(xì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,模擬秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)系統(tǒng);另一個(gè)是根據(jù)線蟲解剖學(xué)構(gòu)建的身體模型,并被一個(gè)可計(jì)算的簡(jiǎn)化3D流體環(huán)境所包圍。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中的每個(gè)神經(jīng)元都被表示為一個(gè)多艙室模型,以精確復(fù)現(xiàn)線蟲神經(jīng)元的電生理特性。
身體模型結(jié)合了96個(gè)肌肉細(xì)胞,這些肌肉細(xì)胞基于秀麗隱桿線蟲的解剖學(xué)建模,表面級(jí)的力模擬了推力和阻力,優(yōu)化了計(jì)算效率,同時(shí)反映了生物體在流體環(huán)境中的互動(dòng)特性。系統(tǒng)還簡(jiǎn)化模擬了環(huán)境中的連續(xù)感官輸入,這些輸入會(huì)動(dòng)態(tài)影響神經(jīng)計(jì)算,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)肌肉收縮,形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。
BAAIWorm天寶在多個(gè)方面取得了顯著進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)基于線蟲神經(jīng)元的真實(shí)生理特性,構(gòu)建了一個(gè)高精度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,這是目前已知首個(gè)同時(shí)在神經(jīng)元層面和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層面都具有真實(shí)動(dòng)力學(xué)特性的多艙室建模模型。該系統(tǒng)的身體環(huán)境模型符合生物線蟲解剖特性,可精準(zhǔn)穩(wěn)定地追蹤和度量三維軟體運(yùn)動(dòng)。
更重要的是,BAAIWorm天寶首次建立了線蟲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與身體環(huán)境模型的閉環(huán)交互,模擬線蟲通過之字形運(yùn)動(dòng)接近食物的行為。研究人員可以通過模擬的方法,實(shí)時(shí)觀察線蟲的軌跡、神經(jīng)活動(dòng)以及肌肉信號(hào),從而更深入地理解神經(jīng)系統(tǒng)與行為之間的關(guān)系。
智源研究院的生命模擬研究中心在研究中使用了OpenWorm提供的諸多寶貴工具和數(shù)據(jù),并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了顯著的進(jìn)展。BAAIWorm天寶在增強(qiáng)版神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、增強(qiáng)版生物體與環(huán)境建模以及閉環(huán)互動(dòng)方面取得了重要突破,推動(dòng)了這一領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。