計算機(jī)蠕蟲

這是發(fā)表的第一篇翻譯,嘗試的第二篇。速度很慢,兩天總共花了將近三個小時。語言上也有很多不成熟的地方,肯定也有很多錯誤,但,這僅僅是一個開始。

這個計算機(jī)蠕蟲,如果能夠很好的實現(xiàn)并且完善,那么對于生物以及醫(yī)療研究會是一個很大的福音。

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一個以建立世界上第一個模擬有機(jī)體為目標(biāo)的眾籌項目

科學(xué)家會告訴你,在他們參加的會議上,絕大部分的工作,并非是在講廳而是在外面的咖啡機(jī)周圍被完成的(更不必說會議結(jié)束后那些代表們要去的酒吧)。那里是交流想法,交換電話號碼以及合作開始的地方。

互聯(lián)網(wǎng)被廉價出售的福利之一就是它具有像一個永恒旋轉(zhuǎn)的全球咖啡時間的功能。一個很好的例子就是“開源蠕蟲”,一個來自美國,巴西,俄羅斯以及世界其他地方的生物學(xué)家和計算機(jī)科學(xué)家通力合作的結(jié)果。5月19日,這個團(tuán)隊在一個叫做Kickstarter的眾籌網(wǎng)站上籌集了121,076美元的資金。這些錢將被用于開發(fā)全世界第一個精細(xì)復(fù)雜的虛擬生命形態(tài)——一個新桿狀線蟲的精確開源的數(shù)字克隆體,這個新桿狀線蟲是一種生活在溫帶地區(qū)土壤中1毫米長的線蟲。

新桿狀線蟲是一個科學(xué)的忠實擁護(hù)者。它簡單,透明,易于飼養(yǎng)和繁殖。因此,它是生物學(xué)上最容易被理解的一個生物體。雌雄同體的個體(他們大多數(shù)都是)有959個細(xì)胞,其中302個是神經(jīng)元。這些細(xì)胞中每一個的位置和功能都是已知的。由于開始于二十世紀(jì)七十年代的工作,科學(xué)家們甚至有一個神經(jīng)元如何相互連接形成蠕蟲的神經(jīng)系統(tǒng)的示意圖——叫做連接體。盡管經(jīng)過了40年科技的進(jìn)步,新桿狀線蟲仍然是唯一一個能夠得到這種示意圖的動物。

正是像這樣詳細(xì)的信息使“開源蠕蟲”成為了可能。建立一個模型有兩種方法:自上而下,以及由下往上。自上而下的方法更容易一些。不用當(dāng)心用于建模的東西是如何工作的,你只需要找到復(fù)制它的習(xí)性的方程式;經(jīng)濟(jì)模型經(jīng)常是以這種方式工作的。它是有可能的,例如,用高中數(shù)學(xué)知識就能模擬新桿狀線蟲的蛇形運(yùn)動,但那樣不會很有啟發(fā)性。

因此“開源蠕蟲”在其他方向繼續(xù)進(jìn)行。史蒂芬?拉森,一位神經(jīng)計算機(jī)科學(xué)家,項目的協(xié)調(diào)人,他說,想法是模擬蠕蟲每一個細(xì)胞的生化行為,以及他們之間如何相互作用。如果那可以被完成,那么運(yùn)動以及所謂野獸的行為模式就能由大量的相互作用而獨立實現(xiàn)。

建立這樣一個完整的電子有機(jī)體,并且目標(biāo)在于在功能上同它的肉體副本沒有區(qū)別,會是一個很了不起的成就。也會很有用。例如,人腦與蠕蟲的微神經(jīng)系統(tǒng)的區(qū)別僅僅在于神經(jīng)元的數(shù)量和互聯(lián)性。但是,盡管這些年在這個難題上已經(jīng)投入了大量的現(xiàn)金和汗水,仍然沒有人真正弄明白大腦是如何工作的。擁有一個詳盡可查的簡單的神經(jīng)系統(tǒng)模型會是很好的第一步。而新桿狀線蟲已經(jīng)在實驗室里被用于探討從基本的生化到藥物活動各方面的問題。能夠以電子的方式進(jìn)行那些試驗,而不需要真實的蠕蟲,并且有理由確信盡管如此試驗的結(jié)果依然會與真實世界的一致,會是生物和醫(yī)療研究的一大福利。

目前,沒有人清楚一個準(zhǔn)確可靠的仿真是怎么一回事。一個模型的要點在于移除不必要的,凌亂的細(xì)枝末節(jié),從而保留建模者想要研究的東西的本質(zhì)。但是,甚至對于新桿狀線蟲這樣被研究透徹的有機(jī)體來說,沒有人能夠確定哪些細(xì)節(jié)是至關(guān)重要,而哪些細(xì)節(jié)又是沒有關(guān)聯(lián)的。一個活細(xì)胞是各種酶類,離子通道,信使分子以及電壓信號的復(fù)合體。嘗試如實地模擬一切即使讓一臺超級計算機(jī)來做它也得跪。

此刻,這個團(tuán)隊正在規(guī)劃一個系統(tǒng),能夠模擬蠕蟲的肌細(xì)胞是如何工作的,神經(jīng)元的行為以及電脈沖是如何從一個神經(jīng)元傳到另一個神經(jīng)元。會有物理算法給蠕蟲一個培養(yǎng)皿的逼真模擬讓他在上面移動。這些算法也會確保當(dāng)蠕蟲收到一個來自虛擬神經(jīng)元的虛擬顛簸的時候,
它的虛擬肌肉可以使身體變形準(zhǔn)確的數(shù)值。

試驗的結(jié)果將會與現(xiàn)實進(jìn)行對比,以一個包括12,000個現(xiàn)實世界中新桿狀線蟲如何表現(xiàn)的視頻的數(shù)據(jù)庫的形式。電子蠕蟲可以準(zhǔn)確地再現(xiàn)越多的行為,將會越好。馬泰奧?肯特萊利,項目的另一個創(chuàng)始人,他說系統(tǒng)被設(shè)計成靈活并且易于微調(diào)是至關(guān)重要的。這使團(tuán)隊正在飛速地完善它,從微妙的變化到那里已經(jīng)有什么,或者添加一大塊全新的代碼。例如,蛋白質(zhì)可以通過蠕蟲擴(kuò)散,并且在這個過程中改變它的行為的方方面面。“開源蠕蟲”目前還不能模擬那個,但是團(tuán)隊已經(jīng)有這么做的計劃了。這個靈活性也使研究者可以隨著科學(xué)的進(jìn)步修改他們的模型。5月19日,一個來自MIT和維也納大學(xué)的小組在《自然方法》雜志上發(fā)布了一個可以實時掃描新桿狀線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)的方法。這增加了至關(guān)重要的數(shù)據(jù)。如果一個神經(jīng)連接體就像一張公路圖,那么能夠觀察它的神經(jīng)元激發(fā),就像通過衛(wèi)星視頻觀察交通是如何沿著地圖上的公路流動一樣:那是很忙碌的,很少有重復(fù)的?!遍_源蠕蟲”團(tuán)隊已經(jīng)敏銳地將這些數(shù)據(jù)整合到了自己的模型中。

顧名思義,“開源蠕蟲”是開源的,每個人都可以玩。而他們在Kickstarter上的成功也許能夠幫助從別處他們籌集資金?!拔覀円呀?jīng)考慮申請傳統(tǒng)專利,”拉森博士說“這個眾籌的成功表面有公共利益在里面,這應(yīng)該幫助了我們?!比绻退暮献髡叱晒崿F(xiàn)了他們的抱負(fù),那么也許有一天做生物實驗會變成一件簡單的事情,下載一些動物到你的電腦上,然后就可以開始了。

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