Magyar kutató segítségével készül a világ első digitális élőlénye

  • Az OpenWorm egy 'open science' projekt, amiben egy fonálféreg, a C. elegans virtuális másolatát készítik el. 
  • A projektnek most sikerült közösségi finanszírozással 120 ezer dollárt összegyűjtenie Kickstarteren. 
  • A forradalmi terv magyar kutatója, Szigeti Balázs segített nekünk megérteni, miről is van szó. 

A legegyszerűbben megfogalmazva, az OpenWorm egy nyitott laboratórium, ahol egy nemzetközi kutatócsoport azzal kísérletezik,

hogyan lehet a biológiát lefordítani számítógépes algoritmusokra.

Konkrét céljuk az, hogy létrehozzanak egy biológiailag realisztikus C. elegans modellt számítógépen. A C. elegans egy mikroszkopikus kukac, ami nagyon fontos szerepet tölt be a biológiában. Ez a fonalféreg az egyik legrészletesebben tanulmányozott élőlény, és az egyetlen organizmus, aminek ismerni ma a konnektomját, azaz pontosan tudni, melyik idegsejtek melyik másikakhoz csatlakoznak.

A konnektom digitális verziója (via neuroinformatics2012.org)

Ennek a fonalféregnek szeretnék most elkészíteni egy virtuális másolatát.

A projektet egy tizenkét fős nemzetközi csapat viszi, ennek tagja Szigeti Balázs is. Ő mesélt a kukac készítésének körülményeiről.

Szigeti 2007-ben érettségizett Magyarországon, utána a londoni Imperial College-ban tanult elméleti fizikát. Diplomája megszerzése után új irányokba akart elindulni, ezért az agykutatás témájában kezdte el PhD-ját az edinburgh-i egyetemen.

"Bennem is megfogalmazódott, hogy az idegrendszer megértését egy egyszerű organizmussal kellene kezdeni, mint például a C. elegans. Ez volt 2011 szeptemberében. Némi Google-keresés után hamar megtaláltam az épp akkor induló OpenWorm-ot. Mivel ugyanaz a cél motivált minket, természetes volt, hogy csatlakoztam."

- mondja a kezdetekről.

Nyitott tudás

A kukac modelljének elkészítésében nagyon fontos az open science-jelleg. Ez egy új tudományszervezési irányzat, aminek az egyik első képviselője az OpenWorm.

"Tradicionálisan egy kutatás úgy működik, hogy van egy professzor, aki egy adott célra pénzt kap valamilyen szervezettől, például az Európai Uniótól. Ebből felszerelést vesz, PhD diákokat és labormunkást bérel, és a végén publikációk formájában megosztják, mire jutottak."

- meséli Szigeti. Viszont ezzel szemben az open science demokratikus alapon szerveződik, azaz nincsen központi kutató, és nem csak a végeredményt, hanem a kutatás minden lépését nyilvánosságra hozzák. Nyílt forráskódú a szimuláció, amit fejlesztenek, és minden felhasznált adat és program is elérhető bárki számára.

"A tudományos publikációk a pozitív eredményekre fókuszálnak, de minden siker mögött ott van tíz kísérlet, ami nem működött. Nálunk ezek a zsákutcák is dokumentálva vannak, nem rejtegetjük őket."

A projekthez sokan csatlakoznak önkéntesként. Az open science-kutatásoknak éppen az a lényege, hogy pár ember megfogalmaz egy problémát, publikálják az interneten, akit pedig érdekel, az segíthet megoldani. Van, aki a szabadidejéből áldoz erre, és van, aki a PhD-kutatása keretében. Aki pedig sokat dolgozik a projekten, az törzstaggá válik, és szavazati jogot kap. Ugyanis minden fontos kérdésben szavazással döntenek.

Az OpenWorm csapata egy londoni találkozón. Szigeti Balázs jobbról az ötödik.

Jelenleg a tizenkét fős törzsmag mellett mintegy harmincan vannak még, akik hozzátettek és tesznek a projekthez. Angol, amerikai, olasz és orosz kutatók dolgoznak együtt. A földrajzi távolság miatt Skype és Google Hangout segítségével dolgoznak együtt,  beszélgetéseik szintén elérhetőek az interneten. Évente egyszer találkoznak is, tavaly Párizsban voltak, Szigeti pedig most éppen azért lobbizik, hogy idén ősszel Budapesten legyen a találkozójuk.

Kukacmátrix?

A projektben Szigeti dolga a modellverifikáció, azaz a modell és a kukac viselkedésének összehasonlítása:

"Egy modell attól lesz tudományos, hogy valamilyen empirikus jelenségre magyarázatot ad, reprodukálja azt. Például fizikában egy gravitációs elmélet - például a newtoni vagy az einsteini - segítségével kiszámíthatjuk a bolygók pályáinak tulajdonságait és ezeket összevethetjük azzal amit csillagászok mérnek.

Biológiai rendszerek esetében azonban ez az összehasonlítás nem ilyen egyszerű. Ellentétben egy bolygó pályájával egy kukac viselkedését nem lehet egy egyenlettel leírni, ezért speciális adatfeldolgozásra és statisztikus módszerekre van szükség. Ezt csinálom én. Ez a főfeladatom, de másban is segítek. Például most adtunk le egy publikációt amit nagyrészt én írtam, illetve készítettem anyagokat a Kickstarter kampányunkhoz is."

- mondja Szigeti. A Kickstarter-kampány átütő sikert hozott, sikerült összeszedniük a kitűzött 120 ezer dollárt. A magyar kutató tudomása szerint ez az első alkalom, hogy a közösségi pénzgyűjtő oldalon egy tudományos projekt hat számjegyű támogatást tudott összegyűjteni.

A pénzt egy browser-applikáció létrehozására fogják fordítani. A modellnek a jelenlegi formájában hatalmas gépigénye van, még egy erősebb gamer-PC-n is alig lehet futtatni. A terv az, hogy ezentúl a számításokat majd az OpenWorm szerverén fogják futtatni, és az eredmény strealemve lesz a felhasználó gépére. Reményeik szerint a felhasználóbarátabb szoftverrel még több laborban fogják használni a fejlesztéseket.

Egy OpenWorm promóplakát

Szigeti szerint a sikeres pénzgyűjtés annak köszönhető, hogy a számítógépek és az agy fúziója, a mesterséges intelligencia (AI) mindenki fantáziáját megfogja.

"A kampány alatt is legtöbben arról érdeklődtek hogy akkor mi most egy ‘kukac mátrixot’ építünk-e. Legyünk őszinték, a legtöbb embert minimálisan sem érdekli a C. elegans. Aki pénzt adott nekünk, az elsősorban a projekt víziójába fektetett be."

Szigeti viszont nem válaszolna még arra a kérdésre, hogy kukacmátrixot építenek-e.

Az ötlet lényegében hasonló, de a gyakorlatban még nagyon messze vagyunk ettől. Azért sem válaszolnék igen-t erre a kérdésre, mert az felvetne egy sor olyan filozófiai kérdést, amire igazából senki nem tudja a választ. Maradjunk józanok, egy szimulációt építünk, hogy mire lesz képes, azt majd meglátjuk, amikor kész lesz.

Szigeti szerint főleg az különbözteti meg az ő munkájukat egy tipikus neurobiológiai laboratóriumétól, hogy nem egy konkrét élettani folyamat megértésére fókuszálnak, hanem megpróbálják szakirodalomban feltárt tényeket egyetlen integrált modellbe sűríteni.

A neurobiológiai kutatás alapvetően redukcionális, egymástól izoláltan tanulmányozza az idegrendszerben zajló folyamatokat. Mi holisztikusan tekintünk a rendszere, megpróbáljuk a részekből összerakni az egészet.

És hogy mire lehet jó ez az egész?

Szigeti szerint érdemes ezt történeti keretben vizsgálni:

"A mesterséges intelligencia (AI) kutatása az 50-es évében indult Turing munkásságával. Akkor az intelligenciára úgy gondoltak mint egymásba fűzött atomisztikus logikai műveletekre. A kulcsszó a logika. Kezdetben az AI nem volt érdekelt az agyban, hiszen az csak egy imperfeketbiológiai reprezentációja az intelligenciának, azaz a tiszta, racionális, logikai gondolkodásnak.

Teltek az évtizedek és ugyan jöttek eredmények az AI kutatásban, de a mai napig nagyon messze vagyunk olyan univerzális gondolkodó gépektől, amik az ember közelébe érnének. E sikertelenség következményeként a 70-80-as években az AI kutatás egyre érdekeltebb lett az agyban. Ennek a mentalitásbeli váltásnak a logikus végkifejlete, hogy ha AI-t akarunk, akkor szimuláljuk az agy biológiáját. Ha szimulálod az agyban lezajlodó biológiai folyamatokat, akkor ugyanazt az intelligens viselkedést fogod kapni, amit az agy is produkál."

Azonban az emberi agy borzasztó bonyolult.

Nekünk nagyjából 100000000000 idegsejtünk van, a kukacnak 302.

Az OpenWorm gondolatmenete, hogy először oldjuk meg a kukac egyszerűbb problémáját, és ha már ez sikerült, akkor több esélyünk lesz a nagyságrendileg összetettebb emberi agyat is modelleznünk. A matematikát sem a parciális differenciál egyenletekkel kezdi az ember, hanem összeadással."

Végül tehát az egyszerűség és a rengeteg rendelkezésre álló adat volt az a két faktor, amiért a kukac mellett döntöttek. De Szigeti figyelmeztet arra, hogy ez az egyszerűség nem szabad, hogy bárkit megtévesszen: hozzánk képest nagyon primitív a kukac, de a tudománynak még mindig óriási kihívást jelent, hogy holisztikusan, kvantitatív módon megértsék.

Az OpenWorm felülete.

Zajlik jelenleg egy másik izgalmas kutatás is a világban, a Human Brain Project során az emberi agyat akarják hasonló részletességgel modellezni. De Szigeti szerint azzal a módszertannal, amit ott alkalmaznak, biztos, hogy nem működne a kukacmodell. Az 1,2 milliárd eurós agymodellezési kísérlettel szemben éppen most fogalmazott meg éles kritikát és bojkottot számos tudós is.

Jelenleg ott tart a projekt, hogy kész a fizikai modell és egy statikus idegrendszermodell, ami hű a konnektomhoz. A kukac egy 3D-s világban mozog, ahol érvényesek a fizika törvényei. Mászni már tud, de ez még nem az idegsejtek összjátékának eredménye, hanem a kutatók rakták bele a modellbe. Most éppen az izomsejteken dolgoznak, azt szeretnék elérni, hogy reálisan reagáljanak az idegrendszertől kapott elektromos jelekre.

A legnagyobb problémát pedig az jelenti, hogy elválasszák egymástól a fontos és kevésbé fontos folyamatokat:

"A nehéz kérdés az, hogy melyik részletek fontosak funkcionális szempontból. Például, amikor egy idegsejt egy elektromos jelet ad át egy másiknak, akkor az ingert kémiai anyagok, un. neurotranszmitterek továbbítják. Több fajta neurotranszmitter létezik, amik adott esetben befolyásolják a jeltovábbítás tulajdonságait. A neurotranszmittereknek funkcionális szerepe van, ezért részletesen kell modellezni, hogy mikor melyik van jelen két neuron között. A másik oldalon a sejtek anyagcseréjének melléktermékeiről nyugodtan megfeledkezhetünk. Ezeknek nincs funkcionális szerepük, egyszerűen csak bomlástermékek. A kihívás azt kibogozni, hogy melyik élettani folyamatoknak van funkciójuk a kukac viselkedésének szemszögéből és melyek azok, amikre lehet zajként tekinteni."

- mondta el az éppen leküzdendő feladatokat Szigeti.

A kukac honlapján lehet többet olvasni a projektről, a fenti videón pedig a vízben úszkáló kukac látható.