Simuliertes Wurmhirn steuert Roboter

Caenorhabditis elegans (C. elegans) ist eines der beliebtesten Forschungsobjekte für Biologen. Der rund einen Millimeter lange Fadenwurm ist transparent, besteht nur aus rund 1000 Zellen und gilt als einer der am besten erforschten Organismen überhaupt. Das macht ihn zum idealen Kandidaten für die Simulation in einem Computer. Im Open Worm Project versucht eine internationales Team aus Wissenschaftlern und Programmierern genau das: eine Simulation auf Zell-Ebene soll ohne weitere Programmierung Wurm-Verhalten liefern. Mittlerweile steuert das simulierte “Gehirn” (es handelt sich eigentlich lediglich um eine Ansammlung von 302 Neuronen) des Wurms sogar schon erfolgreich Roboter. Das Open Worm Project hat sich dem Open Source Gedanken verschrieben und stellt dementsprechend all seine Ergebnisse der Öffentlichkeit zur Verfügung. Wer will kann sich auf der Webseite auch aktiv an der Arbeit beteiligen. Finanziert wird das Projekt durch eine Kickstarterkampagne, mit der die Initiatoren rund 120.000 US-Dollar eingesammelt haben. Die futurezone hat Stephen Larson vom Open Worm Project zu seiner Arbeit befragt.

futurezone: Wie nah ist der virtuelle Wurm seinen biologischen Cousins schon?
Stephen Larson: Ich würde sagen, dass wir etwa 20 bis 30 Prozent des Weges zu unserem ersten Meilenstein, der Reproduktion des Kriechverhaltens, geschafft haben.

Was sind die größten Probleme, die es noch zu lösen gilt?
Wir müssen auch die Informationen berücksichtigen, für die wir keine direkten Messungen aus wissenschaftlichen Experimenten haben. Dazu haben wir uns eine vielversprechende Strategie zurechtgelegt, aber wir wissen noch nicht, ob sie auch wirklich funktioniert.

Wo müsst ihr, was die Auflösung der Simulation angeht, Kompromisse eingehen?
Wir haben im Moment alles, was nicht essenziell für das Kriechverhalten des Wurms ist, weggelassen. Unser Modell konzentriert sich auf die Mechanik der Muskeln und der Außenhaut des Wurms, zusätzlich berücksichtigen wir die elektrischen Eigenschaften der Membranen von Muskelzellen und Neuronen. Dinge wie DNA, einzelne Proteine und etwa zwei Drittel der Zellen von C. elegans spielen derzeit keine Rolle.

Für einen Laien scheint es vielleicht überraschend, dass ein vergleichsweise einfach aufgebauter Organismus so schwierig zu simulieren sein soll. Gerade weil C. elegans einer der am besten erforschten Organismen auf dem Planeten ist.
Wir haben das im vergangenen Jahr bei einer wissenschaftlichen Diskussion erörtert. Ich stimme zu, dass das kontraintuitiv ist. Bisher verstehen wir einfaches Verhalten bei einfachen Zellen, vielleicht auch einfaches Verhalten bei Gruppen von einfachen Zellen. Bei kompliziertem Verhalten in komplexen Zellen stoßen wir an unsere Grenzen. Also ja, der modernen Biologie fehlen noch einige grundlegende Einsichten in die Prozesse.

Vor kurzem wurde Ihre Simulation des Wurm-Gehirns erfolgreich eingesetzt, um einen Roboter zu steuern. Zeigt das virtuelle Gehirn schon Anzeichen von korrektem Wurm-Verhalten?
Es ist noch zu früh, um sagen zu können, ob die Robotersteuerung akkurat reproduzieren kann, was im Gehirn eines Wurms passiert. Dass das virtuelle Gehirn überhaupt Verhalten produziert, ist trotzdem eine interessante Bestätigung für unseren Ansatz.

Wird es möglich sein, eine Simulation zu erstellen, die nicht mehr von einem echten Organismus zu unterscheiden ist?
Es sollte prinzipiell möglich sein, ein Modell zu programmieren, das dem echten Organismus in höchstem Maß entspricht, aber bis dahin müssen wir noch einige praktische Herausforderungen meistern.

Ist Ihre Simulation am Leben? Wo würden Sie die Grenze ziehen?
Die Definition von Leben überlasse ich den Philosophen. Für mich persönlich folgen lebende Systeme den Regeln von Physik und Chemie. So lange diese erfassbar sind, sollten wir in der Lage sein, eine sehr originalgetreue Reproduktion dieser Systeme im Computer zu erschaffen.

Wie lange wird es dauern, Ihre Simulation zu perfektionieren?
Wir haben kein Enddatum festgelegt. Solange es für die wissenschaftliche Community von Interesse ist, hoffen wir, dass das Modell noch sehr lange verbessert wird. Trotzdem wollen wir kurzfristig Forschungsergebnisse generieren. Wir hoffen deshalb, dass wir innerhalb eines Jahres den Output des Modells mit der Realität vergleichen können, um das Rennen wirklich zu eröffnen.

Was müsste passieren, damit Sie das Projekt als abgeschlossen betrachten?
Wenn die Simulation unser Verständnis eines biologischen Organismus radikal verändert und wir vom Modell direkt nichts mehr lernen können. Das wird aber noch Jahrzehnte dauern.

Wird es je möglich sein, einen Organismus von der kleinsten Ebene an aufwärts zu simulieren, also von einzelnen Atome in einer Zelle?
Das hängt wohl von der Menge der investierten Ressourcen und der Verfügbarkeit von Rechenleistung ab. Ich glaube, dass das irgendwann in der Zukunft klappen wird.

Welche Organismen wären gute Kandidaten für einen nächsten Schritt?
Es gibt die Meinung, dass die schwarzbäuchige Taufliege ein guter Nachfolger wäre.

Wird es je möglich sein, ein menschliches Hirn zu simulieren?
Ja, im Prinzip.

Wie sehen die kurzfristigen Ziele für die nächsten Jahre aus?
Wir wollen da Modell so gut machen, dass es sich mit echtem Wurm-Verhalten aus userer Videodatenbank deckt. Das Ergebnis wollen wir in einer guten Fachzeitschrift veröffentlichen. Zudem wollen wir unsere Community stärken und den erzieherischen Ansatz weiterverfolgen, so dass mehr Menschen sich mit Biologie beschäftigen und lernen, solche Computermodelle anzuwenden.

Wer sich aktiv am Open Worm Project beteiligen will, findet auf der Webseite alle nötigen Kontakte und Materialien. Die Initiatoren freuen sich über jede Unterstützung.