OPENTadpole: أول حيوان سيبراني

مرحبًا يا مجتمع GeekTimes! بعد صمتي الطويل ، أريد أن أعرض مشروعي الجديد. OPENTadpole هو تطبيق يتكون من محرر كامل للجهاز العصبي لشرغوف الضفدع ومضاهاة جسدية لجسم الشرغوف والبيئة. القدرة على إنشاء وتكوين وتعديل اتصال الحيوان من الصفر وانظر على الفور كيف ينعكس إبداعك في سلوكه.



منذ حوالي عام ، تم الانتهاء من سلسلة من المقالات المخصصة لتطوير جهاز محاكاة للجهاز العصبي ، وكان للتطبيق الذي طورته عدد من أوجه القصور ، وكذلك كود الهواة لم يسمح بتوسيع وتطوير وظائف التطبيق. تجدر الإشارة إلى أن التطبيق الذي تم تطويره في ذلك الوقت سمح لي بإثبات والعمل على الآليات الأساسية والمنصة النظرية لنظام النمذجة. تقرر إعادة معالجة الكود ، من موقع تمثيل أكثر دقة ، أي الكيانات ووظائفها ستكون موجودة في النسخة النهائية من التطبيق.

أولاً ، لقد استخدمت محرك لعبة Unity المفضل لدي من أجل تطوري ، وربطت جوهر العنصر العصبي بـ GameObject ، وتم تنفيذ منطقه في coroutines ، والتي ، عندما زادت الشبكة ، أصبحت مشكلة مميتة ، التطبيق يتدهور بشكل رهيب بسبب الاتصال الوثيق لمنطق الشبكة العصبية مع جزء رسومي من التطبيق. بالطبع ، كان الحل هو فصل الجزء الرسومي عن منطق النظام ، ويجب تنفيذ المنطق في سلاسل محادثات منفصلة ، ولن يتمكن الجزء الرسومي من الوصول بشكل دوري فقط إلى عناصر الشبكة لعرض التغييرات التي تحدث. يوفر هذا النهج ميزة أخرى ، وهي القدرة ليس فقط على مراقبة العمليات الجارية في الشبكة ، ولكن للتفاعل مع نتائج حساباتها ، لذلك ، على سبيل المثال ، غمر الشبكة في وكيل افتراضي معين ولاحظ كيفية تفاعل هذا الوكيل مع البيئة الخارجية.

ثانيًا ، تقرر مراجعة مفهوم المحرر ، على الرغم من حقيقة أن 3D تعتبر طريقة تصور أكثر فاعلية ، فقد قررت التبديل إلى 2D. كنت أعتقد أن هناك معنى رئيسي معين يكمن في التنظيم ثلاثي الأبعاد للجهاز العصبي ، وخوفًا من إغفال شيء ما ، فقد جاهدت من أجل تنظيم ثلاثي الأبعاد للمحرر والنظام. لكن الآن ، أفهم أنه سيكون كافيًا تطبيق البناء المحرر المسطح بمستويات أو طبقات ، لأنه حتى القشرة الدماغية لها بنية ذات طبقات ، والعمل في الطائرة يسمح للمستخدم النهائي بالتنقل وتنظيم عملهم بشكل أكثر سهولة مع المحرر ، خاصة عندما يتعلق الأمر بالحجم الكبير صفائف العناصر.

بالنظر إلى أنني أعمل بمفردي ، وأن تطوير التطبيقات في مجال علم التحكم الآلي ليس نشاطي الرئيسي ، فقد بدأ التطور ببطء ، وفي نفس الوقت أردت أن أوضح كيف يمكن تطبيق أفكاري على الحيوانات ذات الجهاز العصبي البسيط ، مثل البطلينوس ، دودة أو نوع من الحشرات. أنا حقًا أحب مشروع OpenWorm لإنشاء نموذج كمبيوتر لدودة Caenorhabditis elegans ، التي يتكون نظامها العصبي من 302 خلية عصبية ، والتي تم تكوين اتصالها بالكامل. يتكون المشروع من جزأين: نمذجة الخواص الكهربائية العصبية للجهاز العصبي للدودة ونمذجة الخواص الميكانيكية لجسمها أثناء السباحة. لقد طبقت هذا المفهوم على مشروعي ، وهو مرجع يمكن رؤيته باسم المشروع. تأثر اختيار الحيوان المحاكي بتسجيل خطاب رومان ماتفيفيتش بوريزيوك ، الذي تحدث فيه عن مشروع لمحاكاة الجهاز العصبي لقطب الضفدع الصغير لمدة يومين. مستوحاة من هذا الفيديو ، قررت أن أجعل بعض الفروع في العمل على جهاز محاكاة النظام العصبي ، والذي كان يسمى OPENTadpole.

يجب على المنصة النظرية التي تدعي شرح آليات الجهاز العصبي أن تعمل على مستوى الأجهزة العصبية البسيطة وعلى نطاق الأجهزة العصبية التي تؤدي وظائف معرفية. في كثير من الأحيان يمكنك العثور على التعليقات الموجهة إلى مؤلفي النظريات الجديدة حول عمل الدماغ أنه قبل نمذجة الشبكات العصبية واسعة النطاق ، قد يكون من المفيد إظهار كيف يمكن تطبيق نظرياتهم على الحيوانات البسيطة وأنظمتهم العصبية. يمكن سماع إجابة مراوغة على هذه التعليقات بأن خصائص النظم العصبية تتجلى فقط على نطاق واسع وعملاق للغاية ، وأن حياة المخلوقات البدائية ليست مهمة عندما يتعلق الأمر بحل المشكلات المعرفية. أصبحت هذه المظالم والأوهام بالنسبة لي سببًا آخر لفترة من الوقت للتركيز على حياة وسلوك الضفدع الصغير الذي يستمر يومين.

حيوانات Cybernetic مع الجهاز العصبي

بالطبع ، ابتكر Man بالفعل الكثير من الآليات السيبرانية التي تحاكي جوانب معينة من السلوك الحيواني ، على سبيل المثال ، البط الميكانيكي لـ Vaucanson ، الذي لم يلوح بجناحيه فقط ، ينقر في تغذية متناثرة ، ولكن لديه أيضًا نوعًا من الجهاز الهضمي مع جميع العمليات المصاحبة. لكن الحيوانات الاصطناعية ذات الجهاز العصبي الشبيهة بنظيرها البيولوجي نادرة بما فيه الكفاية. دعنا نلقي نظرة عامة موجزة على عالم الحيوانات السيبرانية حتى يتضح لك من أين جاءت الكثير من الجرأة من أجل استدعاء الشرغوف الصغير أول حيوان سيبراني مع نظام عصبي اصطناعي.

ولن نبدأ بحيوان ، بل بشخص أسطوري - هنري ماركرام. هنري ماركام عالم معروف للكثيرين بأنه رائد في دراسة الروابط المشبكية ، كان من أوائل الذين بدأوا في دراسة منهجية لنسخة متسقة من قاعدة هيب. لكن هنري ماركرام اكتسب شهرة حقيقية باعتباره خالق محاكاة الدماغ الأكثر تكلفة في العالم. تحت تصرف العالم وزملائه ليس فقط أكبر تمويل تم تخصيصه لهذه الأغراض على الإطلاق ، ولكن أيضًا أقوى موارد الحوسبة للحاسوب العملاق Blue Gene من IBM. أعطى اسم الكمبيوتر الاسم الأول للمشروع: “Blue Brain Project” ، في عام 2013 أعيدت تسميته “The Human Brain Project”. على الرغم من حقيقة أن اسم المشروع يشير الآن إلى الدماغ البشري ، إلا أن العمل مستمر على نموذج لجزء صغير من قشرة دماغ الفأر. يمتلك مديرو المشاريع خططًا كبيرة ، بدءًا من جزء صغير من دماغ الفأر للوصول إلى نموذج كامل للدماغ البشري. في عام 2009 ، وعد ماركام ، أمين المشروع ، أنه بعد عشر سنوات ستظهر محاكاة كمبيوتر للدماغ البشري بأكمله. يعتبر الكثير هنري ماركرام دجالًا ، في الواقع ، إذا استمعت إلى خطاباته ، فإنهم يركزون بشكل أكبر على المستثمرين الأثرياء الذين لديهم دراية ضعيفة في علم الأعصاب أكثر من زملائهم العلماء.



في تاريخ المشروع بأكمله ، بالإضافة إلى المواد الرسومية الجميلة ، وميض أكاليل الخلايا العصبية ، هناك دراسة مفيدة عمليًا. تم إنشاء حوالي عشرين نموذجًا ثلاثي الأبعاد لأنواع معينة من الخلايا العصبية التي كررت تمامًا هيكلية الخلايا العصبية الحقيقية ، مع مراعاة جميع الانحناءات وفروع التشعبات. بعد ذلك ، تم تكوين منطقة صغيرة من القشرة التي تم فيها وضع النماذج المعدة للخلايا العصبية ، وفقًا لقواعد معينة ، ولكن تم اختيار نماذج الخلايا العصبية بشكل عشوائي ، ثم تم جمع الإحصائيات من النموذج الذي تم الحصول عليه: حيث تتقاطع التشعبات ، وعلى أي مسافة من جسم الخلية ، أي نوع من الاتصالات.

تمت مقارنة الإحصائيات التي تم الحصول عليها مع إحصائيات مماثلة ، ولكن تم الحصول عليها من الجهاز العصبي البيولوجي وحصلت على نتائج مهمة للغاية: تشكيل 80 ٪ من الاتصالات المشبكية في القشرة عرضة للصدفة. على سبيل المثال حيث توجد التشعبات المتزايدة ، والمحاور ، والضمانات ، ويمكن أن يتشكل المشبك ، وليس أي علامات كيميائية. بالطبع ، في بعض الحالات ، لا يتم استبعاد انتقائية تكوين المشابك ، ومن المستحيل أيضًا استخلاص استنتاج حول عشوائية جودة الاتصالات. يمكن أن يتشكل المشبك عن طريق الصدفة أثناء نمو الخلايا العصبية ، ولكن يمكن تحديد قوته (وزنه) من خلال النشاط الحيوي للجهاز العصبي والحيوان.

في حين أنه من غير الممكن التحدث عن الماوس الافتراضي السبراني في إطار مشروع الدماغ البشري ، لا يزال هناك نموذج كامل لدماغ الفأر بعيدًا. نظرًا لموارد IBM ، أعلن باحث آخر Dharmendra Mohda في عام 2009 عن إطلاق مشروع لإنشاء محاكاة رقمية لدماغ القطط. تسبب هذا البيان في الكثير من السخط في Markram ، مما أدى إلى شكل خطاب مفتوح غاضب إلى كبير التقنيين لشركة IBM. لا أحد يحب المنافسة ، لكننا نفضل أن نراها في قتال القطط والفئران الافتراضية بدلاً من جذب انتباه رؤساء IBM ، رؤساء التقليد الغالي الثمن. بعد سنوات عديدة ، لم تحدث تغييرات كبيرة وتطور في مجال تقليد دماغ الثدييات.

OpenWorm هو مشروع مشهور جدًا لإنشاء نموذج محاكاة للديدان الخيطية (الدودة المستديرة) من الأنواع Caenorhabditis elegans ، هذه الدودة ملحوظة لحقيقة أن هذه هي الحيوانات الوحيدة التي يتكون اتصالها الكامل بنظامها العصبي من 302 خلية عصبية وحوالي 7000 اتصال متشابك. حتى بالنسبة لمثل هذا الجهاز العصبي الصغير مثل ج. اتضح أن إليجانز الذين يربطون عمل عملاق. أولاً ، تعرضت الدودة إلى إجراء معقد - الفحص المجهري التسلسلي ، مما أدى إلى إنشاء سلسلة من الصور للأجزاء العرضية من الجسم. كان من الضروري عمل أجزاء قليلة جدًا من المايكرون ، ثم استخدام المجهر الإلكتروني لإنشاء صور عالية الدقة. مع وجود دودة بالغة يبلغ طولها 1-2 مم ، تبين أن هذه مهمة صعبة ، يتكون الأطلس المتاح للصور من 3 ديدان ، منذ الجهاز العصبي ج. يتمتع elegans باستقرار مذهل وقابلية تكرار. ثانيًا ، لقد استغرق الأمر أكثر من سبع سنوات من الدراسة المضنية للصور ، فريق العلماء ، لتجميع خريطة لتوصيلات الجهاز العصبي ، ولا تزال هناك تعديلات يتم إجراؤها على قاعدة البيانات الناتجة.

لسوء الحظ ، من المستحيل تحديد نوع وقوة الاتصالات المشبكية في الصورة ؛ ونتيجة لذلك ، لدينا وصف للاتصالات بدون أي فكرة عن غرضها الوظيفي.

الخطوة التالية في فهم طبيعة الجهاز العصبي ج. تصبح لعبة elegans محاولة لإنشاء محاكاة كمبيوتر لدودة. النموذج الرقمي ملائم من حيث أن المجرب يمكنه تغيير وتحديد إعدادات عناصره ، بحيث يكون عمل النموذج بأكمله قابلاً للمقارنة مع نظير بيولوجي ، مما يجعل من الممكن تحديد بعض قوانين التنظيم والتشغيل للجهاز العصبي للكائن الحي باستخدام الاختيار التجريبي. بالطبع ، بدون نظرية عامة للجهاز العصبي ، بدون منصة نظرية ، فإن مثل هذا البحث عن القوانين هو مهمة صعبة للغاية ، يمكن أن يستمر حلها بشكل طبيعي.
اكتسب المشروع شهرة خاصة خلال بداية الشركة في عام 2014 . مجتمع OpenWorm مثمر للغاية: يتم إنشاء أطلس ثلاثي الأبعاد للديدان الخيطية ، حيث يتم عمل النظام العصبي بالتفصيل - يتم تعيين كل عصبون ؛ نظام تم إنشاؤه وتطويره على نطاق واسع من النمذجة والتصور geppetto ؛ محاكاة الخصائص الميكانيكية لجسم الدودة والبيئة الخارجية - Sibernetic ، التي يعمل مواطنونا عليها. لكن الديدان الخيطية المتحركة بحرية التي يتحكم فيها الجهاز العصبي لم تظهر بعد. بعض ردود الفعل البسيطة المتعلقة بالحركة (الحركة) والانسحاب عند لمس الجزء الأمامي من الجسم يتم نمذجتها ، لكن معظم الدوائر العصبية وسلوك الديدان الخيطية المرتبطة بها لا تزال غير مستكشفة.

أحد أحدث مقاطع الفيديو Sibernetic من قناة Andrei Palyanov ، السباحة الخيطية في بيئتين مختلفتين ، يتم التحكم باستخدام إشارات دورية بسيطة ، دون مشاركة الخلايا العصبية الافتراضية.

المشروع التالي ترك انطباعًا كبيرًا علي ، بعد مشاهدة الفيديو التالي بخطاب من رومان ماتفيفيتش بوريزيوك ، قررت اختيار شراب صغير كحيوان نموذجي في مشروعي.


يشرح مشروع tadpoles.org.uk غير المعروف بعضًا من المبادئ والقوانين الأساسية لتنظيم الجهاز العصبي. ابتكر العلماء نموذجًا لتطور الجهاز العصبي ، وتشكيله في الفترة الأولى من تطور الحيوان. أولاً ، يتم إنشاء نموذج: التشعبات والمحاور العصبية تنمو من الخلايا العصبية وفقًا لقواعد معينة تأخذ في الاعتبار بعض معلمات جسم الشرغوف مع درجة معينة من الاحتمالية التي تؤثر على اتجاه نمو العمليات ، ثم تتشابك في نقاط الاتصال بين التشعبات والمحاور للخلايا المختلفة. في النهاية ، يمكن تنشيط النموذج وسيظهر نشاطًا مشابهًا لنشاط الجهاز العصبي للشرغوف الصغير في الجزء المسؤول عن السباحة.

اتضح أنه من أجل تكوين الجهاز العصبي مع جميع ردود الفعل والآليات الخلقية ، من الضروري أن تتبع الخلايا العصبية تعليمات بسيطة إلى حد ما. اعتمادًا على موقعها وانتمائها إلى مجموعات معينة من الخلايا - العقد ، يجب على الخلية أن تنمو تشعباتها ومحاورها في اتجاهات معينة ، بالإضافة إلى تشكيل اتصالات متزامنة مع الخلايا وعملياتها الموجودة على مسافات معينة من جسم الخلية ، بدون أي انتقائية. يتم تعويض الخطأ الناتج في بنية الشبكة العصبية بسبب الانحرافات في اتجاه نمو العمليات عند التغلب على العقبات المحتملة من خلال التواجد المفرط للخلايا العصبية والعمليات.

بالنسبة للسباحة ، وتقلص العضلات على شكل موجة على طول الجسم ، يحتاج الشراغيف إلى ما يقرب من 1500 خلية عصبية ، للنيماتود أقل من ثلاثمائة. إن ضفدع الضفدع هو حيوان أكثر تعقيدًا وتطورًا تطوريًا ، مقارنة بالديدان المستديرة ، ويرتبط زيادة عدد الخلايا العصبية هنا ، ليس بالحاجة إلى زيادة قوة الحوسبة ، ولكن مع موثوقية النظام والتعويض عن عدم دقة الخلايا العصبية كعناصر حسابية. ينسب بعض الباحثين خصائص أجهزة الكمبيوتر الكمومية أو الآلات الحاسبة المعقدة إلى الخلايا العصبية الفردية ، لكن هذا خطأ جوهري ، فالخلايا العصبية أولاً وقبل كل شيء ، خلية بيولوجية ، مع خطأها المتأصل في العمل وعدم الاستقرار. لذلك ، ليس من المنطقي قضاء الوقت في إعادة بناء جميع الخلايا العصبية البالغ عددها 86 مليار من الدماغ البشري ؛ سيكون من المناسب حزم الخلايا العصبية في بعض العناصر العصبية التي تؤدي مهام وظيفية مخصصة لمجموعات من الخلايا العصبية.

الشيء الرئيسي هو النهج الصحيح

يمكنك قضاء الكثير من الوقت والمال والجهد في إنشاء نماذج معقدة للأنظمة المعقدة دون الحصول على نتائج ذات مغزى عمليًا إذا لم يتم وضع الأساس لفكرة دقيقة عن تشغيل كل عنصر من عناصر النظام والوظائف التي تؤديها هذه العناصر داخل النظام بأكمله ككل. من الناحية المثالية ، تحتاج إلى معرفة نتيجة النموذج قبل البدء في إعادة إنشائه ، وهذا هو ما يحدد النجاح في حل المهام ، وليس وجود كمبيوتر فائق ومساعدة مالية كبيرة.

الآن يتم إيلاء الكثير من الاهتمام للشبكات العصبية ، والتي تظهر كفاءة عالية وفوائد عملية كبيرة. في البداية ، تم وضع الشبكات العصبية كنماذج معينة للشبكات العصبية البيولوجية ، ولكن بمرور الوقت وتطور بيولوجيا الأعصاب ، أصبح من الواضح أن الاسم فقط لديه مشترك بين العصبون الرسمي المستخدم في NS وبيولوجي. الشبكات العصبية الحديثة هي أداة رياضية قوية للتحليل الإحصائي. هذا هو وضع NS في تطويرها الذي سيعطي كفاءة أكبر. التحليل الإحصائي ومعالجة كمية كبيرة من البيانات ، وليس نموذجًا للجهاز العصبي. من الممكن أن يظهر نوع ما من الذكاء الاصطناعي على منصة NS ، ولكن إذا سعينا جاهدين لخلق ذكاء يشبه الإنسان ، فيجب أن ننتبه إلى الشبكات العصبية البيولوجية.

لقد أثبتت الشبكات العصبية بالفعل فعاليتها الكبيرة في حل بعض المشكلات مقارنةً بالبشر ، ومن المستحسن أن يستمر تطورها. بصفتي باحثًا في الدماغ ، كنت سأعتمد أكثر على جهاز مدفوع بشبكة عصبية متطورة أكثر من الاعتماد على جهاز مدفوع بنموذج افتراضي للأنسجة العصبية يشبه البيولوجية. والحقيقة هي أن آليات الدماغ تحتوي في البداية على عناصر من عدم الدقة والإدراك المحدود ، مما يؤدي بشكل طبيعي إلى الأخطاء ، ولكن من ناحية أخرى ، توفر هذه الآليات نفسها إمكانات كبيرة للإبداع والتكيف.

النموذج الرياضي السائد المستخدم في إنشاء أنظمة عصبية متشابهة بيولوجيًا هو نموذج هودجكين-هكسلي ، الذي تم وصفه في عام 1952. بطريقة أو بأخرى ، يتم استخدام هذا النموذج في كل من مشروع الدماغ البشري ، وفي OpenWorm ، وفي tadpoles.org.uk. نموذج Hodgkin-Huxley هو نظام معادلات يصف تذبذبات الشحنة التي تحدث على سطح غشاء الخلايا العصبية ، وتم اعتماد نظام المعادلات وتكييفه من الهندسة الكهربائية من حيث أوصاف التذبذبات الذاتية في دائرة تذبذب كهربائية. أضاف آلان لويد هودجكين وأندرو هكسلي بعض العناصر الإضافية وعددًا من المعاملات لنظام المعادلات ، واختاروها بحيث تتم مقارنة نتائج عملهم بالبيانات التجريبية التي حصلوا عليها عند دراسة محاور الحبار.



يصف نظام المعادلات هودجكين-هكسلي تغييرًا في الإمكانات عند نقطة واحدة فقط من الغشاء ، للحصول على صورة لانتشار الإثارة عبر غشاء الخلايا العصبية وعملياتها ، يمكنك تقسيم نموذج الخلايا العصبية إلى بعض الأوليات ، أو تحديد نقاط متساوية عليه والنظر في نظام المعادلات في كل نقطة من هذه النقاط. نموذج Hodgkin-Huxley واقعي للغاية ، يوضح توزيع إمكانات الحركة على جسم الحامل ، لكن النموذج يتطلب موارد حسابية كبيرة.

, . , , , , , .

ما هي الأهمية الوظيفية لانتشار إمكانات العمل على طول غشاء العصبون؟ - نقل المعلومات من جزء من خلية عصبية إلى أخرى. يجب أن تصل المعلومات التي تم تنشيط الخلية العصبية من خلال المستقبلات أو المشابك العصبية إلى نهايات المحور العصبي ، متغلبًا على طوله بالكامل ، والذي يمكن أن يصل إلى متر في جسم الإنسان. ما هو المهم في هذه العملية؟ - الوقت من بداية التنشيط وحتى نقل المعلومات حول ذلك إلى المنطقة المستهدفة من الأنسجة العصبية. في المتوسط ​​، تبلغ سرعة انتشار إمكانات العمل 1 م / ث ، وهي تعتمد على عوامل مختلفة ، على سبيل المثال ، على درجة ميالين المحوار. وفقًا لذلك ، في ظل ظروف مختلفة ، قد يكون وقت التأخير مختلفًا. نموذج هودجكين-هكسلي يحاكي بشكل واقعي للغاية عملية انتشار النبض العصبي على طول الغشاء ،ولكن هل هذه التفاصيل ضرورية عند إنشاء نموذج وظيفي للجهاز العصبي؟

إذا استطعنا تبسيط شيء ما ، فهذا يعني أننا نفهم شيئًا ما. يمكن أن تسمى فكرة التبسيط للقوانين والوظائف البسيطة ، وتخصيص الرئيسي وفصله عن الثانوي ، نهجًا وظيفيًا.



86 , , - , . , , . , , , , , .

التنمية

ألا تتوقع أن استخدام محرك اللعبة في النماذج العلمية يمكن أن يسبب الشعور باليقظة لدى الجمهور؟ - طرح علي سؤال مماثل من قبل مستخدم إنترنت رائع. نعم ، لم ألجأ إلى أي نظام للتوحيد القياسي ، ولم أستخدم اللغات لوصف الهياكل البيولوجية ، فقط لأنه يتطلب الكثير من الوقت لدراسة المواد المصاحبة. أنا لست عالماً ، لكني ضجة عادية مع حياة ديناميكية وصاخبة ، ولكن مع الكثير من الأفكار والإبداع والرغبة في التنفيذ. لذلك ، يتم إعطاء الوقت بين الحياة الأسرية والعمل والنوم للنمذجة بالوسائل المتاحة. محرك لعبة Unity هو مجرد أداة في عملي ، وهو جيد جدًا ومريح من حيث التصور.

يتكون مشروع OPENTadpole بأكمله من مشهدين فقط: محرر اتصال ومحاكاة للبيئة. لم تكن هناك مشاكل خطيرة مع المحرر أثناء عملية التطوير ، حيث كانت هناك بالفعل خبرة في العمل على الإصدار السابق من محاكي النظام العصبي .


كانت المهمة الرئيسية في هذه المرحلة هي فصل تنفيذ منطق العناصر العصبية والتصور الذي تم تنفيذه.

في المرحلة التالية ، لجأت إلى العمل على محاكاة البيئة ، وسرعان ما نفذت هيكل الشراغيف من مكونات الوحدة القياسية. يتكون جسم الشرغوف من 9 أجزاء ، مترابطة مع المفاصل ، وبعض الأزواج الحركية الافتراضية وزوج من العضلات الافتراضية على كلا الجانبين. تتمتع العضلات الافتراضية بمرونة معينة ، مما يوفر مرونة لكامل الجسم.



خضعت وظيفة العضلات للجهاز العصبي الافتراضي ، والذي يتم تحميله من خلال ملفات الحفظ ، وهي شائعة للمحرر ومحاكاة البيئة.


يتطلب المزيد من التطوير إضافة نظام يحاكي الخصائص الفيزيائية للوسط ، وهو ما لم يكن مهمة سهلة بالنسبة لي. في وقت ما ، ندمت على اختيار الطيور المائية كحيوانات نموذجية. وبالطبع ، فإن الميزة الكبيرة لاستخدام محرك ألعاب شائع جدًا هي أنه تم إنشاء العديد من الإضافات والمكتبات والأصول من أجلها. حاولت العمل مع العديد من المكتبات ، ولكن تبين أن LiquidPhysics2D هو الأفضل. لا يوجد رابط رسمي للمكتبة ، لم يعد موقع شركة التطوير يعمل ، ولكن يمكنك العثور عليه إذا كنت ترغب في مساعدة Google. تعتمد هذه المكتبة على محرك Box2D المعروف وهي محسنة للغاية وسهلة الاستخدام ، مع العديد من الأمثلة ، لذلك تمكنت من استخدامها ، على الرغم من أنني اضطررت إلى وضع الكثير من المثابرة.كان من الضروري إعادة جسم الشراغيف باستخدام عناصر المكتبة.


يتطلب الحساب الحقيقي للخصائص الفيزيائية للسائل قوة حسابية عالية ، وبالتالي ، حتى باستخدام مكتبة مُحسنة بشكل جيد ، يمكن الحصول على تشغيل مستقر للتطبيق من خلال قصر نفسه على بضعة آلاف من الجسيمات.

كنت أرغب في رؤية ضفدع صغير عائم بحرية داخل مساحة كبيرة إلى حد ما ؛ مساحة محدودة قوية لن تسمح لي بتقدير النموذج بالكامل. تقرر إنشاء وإزالة الجزيئات ديناميكيًا في منطقة الشرغوف المحيط بها ، وكان من الضروري تقسيم المساحة إلى مناطق مربعة خاصة وتنظيم مظهر وإزالة الجزيئات فيها اعتمادًا على موقع الشرغوف.


من أجل منع المستخدم من الإحراج من مربعات الرقص ، كانت رؤية الجسيمات محدودة ، ونتيجة لذلك كان هناك نوع من الهالة التي تعرض الجسيمات حول جسم الشرغوف ، والتي يمكن إيقافها بالضغط على F12.

النتيجة

, . OPENTadpole , , , . , , , , .

, , , -, ( ). , ( 1 , 2 ), , , . , , .

تعتمد السلسلة العصبية المسؤولة عن السباحة على مولد نشاط منظم ، وتوجد مثل هذه المولدات في جميع الأنظمة العصبية للحيوانات البسيطة ، وهي سلاسل مغلقة من الخلايا العصبية القادرة على توليد إثارة إيقاعية بدون تغذية مرتدة.



يتم تمثيل مخطط مولد النشاط المطلوب لشرغوف الضفدع بأربعة خلايا عصبية متناظرة في جسم الشرغوف. اثنين من الخلايا العصبية (الدين ، البنفسجي) في هذه الدائرة لها ميزة محددة ، تخرج من حالة تثبيط ، وخلق ارتفاع النشاط. ينشط كل عصبون من هذا النوع عصبًا مثبطًا (مثبطًا) ، والذي بدوره له تأثير متقاطع على عصبية DIN. وبالتالي ، يتم الحصول على دارة معينة من دوران الإثارة العصبية. من الممكن بدء تشغيل هذا المولد باستخدام تنشيط واحد من الخلايا العصبية المولدة ، ومن الممكن إيقاف تشغيل المولد إذا تم منع تنشيط أحد الخلايا العصبية المتسلسلة بتأثير مثبط أقوى.

من أجل إجراء التجارب في نظام OPENTadpole ، تم تخصيص 4 مفاتيح للمستقبل F1 و F2 و F3 و F4 ، في الأمثلة المحفوظة ، يبدأ المولد في المستقبل F1 ، وتم منع النشاط الموجود فيه بواسطة F2.

, , 100 , , . , ( ) . , , 1 , , , , .

يوجد العديد من المولدات المتشابهة في الجهاز العصبي للشراغيف البيولوجي ؛ وتقع على طول الجسم وترتبط في سلسلة مع بعضها البعض. إذا كان هناك مولد واحد فقط في الجهاز العصبي للشراغيف ، فإن ذلك من شأنه أن يخلق خطرًا كبيرًا ، أو يؤدي تلف عصبون واحد ، أو حتى تشابك واحد من هذه الدائرة ، إلى فقدان القدرة على الحركة. بالنسبة لمحاكاة الكمبيوتر ، لا توجد مثل هذه المشاكل ، لذلك ، يكفي نموذج واحد للنموذج.

مناورات

, , , , , , .

, , , , . , , , , , . , . , , , .

آلية بسيطة للجمع الزمني لخلايا عصبية تجعل من السهل التحكم في تكرار النبضات عن طريق تغيير عتبة المصير. يتم تحديد مستوى عتبة الجمع في الخلايا العصبية البيولوجية من خلال تكوينها العام ، وحجم الخلايا العصبية ، وعدد وكثافة المستقبلات على الغشاء ما بعد المشبكي ، وعدد وكثافة القنوات الأيونية على الغشاء ، بشكل عام ، من استقلاب الخلايا العصبية. ويمكن لجميع هذه المعلمات أن تتغير بنشاط في خلية حية تحت تأثير تأثير التحوير عليها.

لقد اعتدنا لفترة طويلة على حقيقة أنه عند وصف عمل الجهاز العصبي فإنهم يتحدثون فقط عن نوعين من التأثيرات المشبكية: التحفيز والمثبط. لكن في الواقع ، هذه هي عدم دقة قاتلة تشوه فهم مبادئ الجهاز العصبي. في عمله ، وصف عالم الأعصاب الأمريكي إريك كاندل الآلية الجزيئية للتعرض المشبكي مما أدى إلى تغيرات التمثيل الغذائي في الخلية والمشبك ، والتي حصل في عام 2000 على جائزة نوبل. لطالما تم استخدام تعديل الخلايا العصبية وآليات التعديل في وصف مبادئ الجهاز العصبي ، حيث تلعب هذه الآليات دورًا مهمًا في عملها.

, , – . , ( ), , , . , , . , .



, , . , , , , , , , , .

, , , , , .

-?

, , , , , , . , , «», . , .



, , .

, , , .

الاحتياجات

أردت أن يكون سلوك الشراغف أكثر تعقيدًا إلى حد ما من مجرد اتباع الطعام ، لذلك تقرر محاكاة آليات الاحتياجات. أولاً ، هذه هي الحاجة إلى الغذاء ، والجوع هو رغبة طبيعية في استهلاك مصدر الطاقة اللازمة لحركة الجسم وتطوره. وبطبيعة الحال ، يجب أن يكون للجوع درجة مختلفة ، إذا كان الحيوان ممتلئًا ، فلا ينبغي أن يكون الطعام له أهمية كبيرة. ثانيًا ، لا تقل الحاجة الأساسية للحفاظ على الطاقة ، والتي ولدت بشكل تطوري مبكرًا جدًا وذات أهمية رئيسية في سلوك جميع الحيوانات. كونك كسولًا متماسكًا في جوهرنا ، فهذا يسمح لنا بتحسين سلوكنا من حيث استهلاك الطاقة ، الشخص الذي يحقق النتيجة بأقل هدر لموارد الطاقة هو الأكثر نجاحًا.

لتحقيق هذين الحاجين ، تم إدخال مستقبلين خاصين ؛ كلما زادت الحاجة ، زاد تنشيطهما. ينخفض ​​مستوى التشبع بمرور الوقت ، ومعدل هذا الانخفاض قابل للتعديل بواسطة المستخدم ، ويتراكم الشعور بالإرهاق اعتمادًا على شدة تقلصات العضلات.



في أمثلة الحفظ ، يمكن للمرء أن يلاحظ بعض المنافسة بين هاتين الحاجتين: لا يمكن قمع التعب عن طريق الجوع الشديد ، ولكن الجوع الشديد أقوى من التعب الشديد.

الآن أصبح سلوك الشرغوف أكثر حيوية ، ويعتمد على الدوافع والرغبات الداخلية:

الاستنتاجات

يسبح الشرغوف ويأكل ، وأكثر من ذلك بكثير: يستجيب للضوء ، للمس ، إذا أمسكته من الرأس ، حاول أن تكسر (كما هو موضح في المحاكي) ، ابحث عن الطعام واعثر عليه ، يعاني من الجوع والتعب ، وكل هذا تحت سيطرة الخلايا العصبية الافتراضية .

يحتوي الشراغف الأكثر تعقيدًا على 63 خلية عصبية و 131 وصلة مشبكية ؛ أتذكر أن Caenorhabditis elegans لديه 302 خلية عصبية ، والشراغف البيولوجي يتطلب 1500 عصبون للسباحة العادية فقط. كلما كان الحيوان أكثر تطوراً ، زادت وفرة الخلايا العصبية في حل المشكلات ، وهو ما يرجع إلى العمليات التطورية والحاجة إلى موثوقية النظام. لا يزال من الصعب تقييم فائض الخلايا العصبية فيما يتعلق بالدماغ البشري ، ولكن ، في رأيي ، لن تكون هناك حاجة إلى تطبيق نموذج كمبيوتر قريب من الدماغ البشري ، وأجهزة الكمبيوتر الكمومية أو الحاسبات المركزية ، وهي كمبيوتر منزلي قوي بما فيه الكفاية. هذا بيان جريء للغاية ، أولاً ، على عكس رأي العديد من الخبراء في هذا الموضوع ، وثانيًا ، إزالة هالة التعقيد الفائق من هذه المهمة ، والتي بدونها يصعب ضرب استثمارات رائعة من المستثمرين. الشيء الرئيسي الآن ليس قوة الحوسبة ، ولكن تطوير التكنولوجيا والمناهج الصحيحة.

الخطط المستقبلية

OPENTadpole هو مرحلة صغيرة ، على طريق طويل لتطوير أداة لنمذجة النظم العصبية المعقدة ، والتي ، في رأيي ، تم الانتهاء منها بنجاح.

المهمة التالية: إنشاء نموذج يمكن أن يميز بين الأوامر الصوتية البسيطة ، تمامًا كما تفعل الحيوانات الأليفة ، لتعلمها أيضًا ، وإذا لزم الأمر ، إعادة التدريب ، مع فهم سياق الفريق. أثناء عملي ، سأحاول مشاركة نتائجي مع قراء GT.

OPENTadpole dowland لنظام التشغيل Windows

كود المصدر