详解 | 最高精度智能线虫“天宝1.0”

5月31日，智能线虫“天宝1.0（MetaWorm）”在2022 智源大会开幕式上首次亮相。天宝1.0以秀丽线虫为蓝本，是目前已知领域生物精度最高的仿真线虫模型，迈出了从生命智能到智能生命的关键一步。

天演项目负责人、智源生命模拟中心负责人马雷介绍，天宝模型突破神经系统与肌肉动力学结合的关键技术，可在独创的高效、大规模三维流体仿真环境中动态蠕动前行，初步表现出类似生物线虫的趋利（食物）避害（毒物）能力，在国际前沿生物神经元精细模拟领域具有明显引领作用。

天演项目以“高精度线虫模拟”为突破口，旨在探究生物神经元的内部运作机制和方法，寻找实现通用人工智能的潜在路径。目前，天演团队正在同步搭建世界运行效率最高，模拟级别最精细的高精度模拟仿真软硬件系统，致力于实现多个级别的数字生命孪生，并以此推动脑科学与类脑智能研究，赋能药物研发、医疗诊断等众多行业。

秀丽线虫为载体

探索『通用智能』的奥秘

秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）体长约1mm，由302个神经元构成，具备感知、逃逸、觅食、交配等复杂智能行为，是生命科学研究最小的模式动物。近二十年三次诺贝尔获奖的工作围绕秀丽线虫实验展开——2002年的生理医学诺贝尔奖，2006年生命医学诺贝尔奖，2008年的化学诺贝尔奖等。

在人工智能领域，天演团队以结构简单、功能完备的秀丽线虫为载体，借鉴神经科学半个世纪以来的巨大成果，启发新一代人工智能。自人工智能诞生以来，创造具有认知能力的人类智能一直是智能探索的终极目标，但经过60发展，以深度学习为代表的第三代人工智能仍未触及智能的本质，通用智能水平远不及斑马鱼、苍蝇等小型生物，功耗更有云泥之别。

上世纪八十年代，卡耐基梅隆机器人系教授汉斯·莫拉维克（Hans Moravec）在《计算机与人脑》一书中表示，人类所独有的高阶智慧能力，只需要非常少的计算能力，而无意识的技能和直觉却需要极大的运算能力。“莫拉维克悖论”指出了人工智能发展与常识相左的一种现象。根据摩尔定律，当前计算机的处理速度是1965年代的数亿倍，但AI才刚刚触及儿童般的感知和行动能力。

深度学习经历了蓬勃发展的黄金十年，如今大数据的时代浪潮趋缓，摩尔定律逐渐走进尾声，深度学习的性能奇迹需要寻找一个新的增长点。在此背景下，类脑智能，尤其是精细脑模拟成为启发新一代人工智能的重要方向。

人类大脑是最高智慧的象征，是智能之源。人脑有10的11次方神经元，具备理性、推理、科学发现、艺术创作等高阶能力，但其运行的整体功耗仅为20-25瓦（相当于一个电灯泡的功率）。其原因在于智能行为存在于神经结构之中，结构决定功能，神经元之间精细地链接和非线性化信息传导存在潜在的智能。

目前，借鉴生物神经元打造通用智能之路已初现端倪。

• 2021年8月10号，神经科学教授Idan Segev在NEURON上发表文章“Single Cortical Neurons as Deep Artificial Neural Networks”表明，一个深度神经网络需要5到8层互联神经元才能表征单个生物神经元的复杂度。可见单个生物神经元所具有的结构代表了某种信息的加工和处理过程，展现了强大的计算潜力。
• 2020年10月，MIT研究团队在Nature Machine Intelligence发表文章“Neural circuit policies enabling auditable autonomy”证实，秀丽线虫的“19个神经元可以控制一辆自动驾驶汽车”，相比经典深度神经网络方法可以节省数百万个人工神经网络。该研究表明通过精细重现生物的神经结构，较少的神经元可以实现复杂的智能行为。

此外，精细神经元的树突计算过程具有非线性、高稀疏性，相比深度神经网络具有更强的生物智能表征能力。同时，精细刻画神经元结构和功能，更接近生物处理信息的复杂过程，因此是国际类脑智能，乃至通用人工智能研究最重要的方向之一。

智能生命『天宝1.0』诞生

重现『自然选择』过程

马雷在会上表示，物竞天择，自然演进，即为天演，我们希望通过“模拟”尽可能真实的生物大脑，重复实现智能的“自然选择”过程，创造出决策逻辑像人类、思考速度如光电的超级智能。

天宝模型所模拟的生物神经元为细胞和亚细胞级别，以极高精度还原细胞形态和细胞动力学特性，在智能表征能力、三维动态仿真环境、生物功能重现三大维度上实现了五个层面的关键性突破。

1. 最高精度完整神经系统，更全面表征线虫智能

早在1980年，科学家们已经发现秀丽线虫完整神经元（302个）连接关系，然而从本世纪初至今，如何在数字空间重构“数字孪生线虫”研究工作仍未有实质性进展。相比OpenWorm、Nemaload两项典型工作，天宝模型在模拟规模和精度方面取得“里程碑式”突破。

• 生物神经系统完整，302个神经元精细建模。实现秀丽线虫302个全部神经元及连接关系的精细建模，神经元结构模拟采用多舱室模型，最多2313个；神经元生理模拟支持14种离子通道，实现了部分神经细胞动力学特性的真实还原，突触（Synapse）/间隙连接（Gap junction）连接精细至神经突（Neurite）的模拟程度。
• 感知运动精细，106个神经元动力学高精度还原。完成106个感知运动神经元组成的嗅觉和运动神经环路完成了高精度建模，高精度还原了五类神经元（感觉神经元、中间神经元、指令神经元、头部运动神经元及身体运动神经元）电生理动力学。

2. 3D线虫与三维仿真环境交互进化

环境是智能的摇篮。环境不同，生物智能体所对应的结构、行为、智慧，以及复杂程度均不同。极致的训练环境模拟对于数字智能生命研究至关重要。天演团队结合力学、图形学、计算学、神经学等多个交叉学科的前沿技术，实现了逼真的线虫身体建模和高效可扩展的三维流体仿真环境。

• 身体肌肉细致，96块肌肉+3341个力学计算单元。通过高效的有限元建模方法，创建具有解剖学意义的 96 块肌肉控制、3341 个力学计算单元，实现逼真的线虫肌肉和身体软体建模。
  

• 大规模线虫仿真环境，三维流体动态实时交互。创建适合智能线虫训练的三维流体动态仿真环境，场景尺度达到线虫身长1300倍，在CPU单核条件下，单线虫单次仿真时间快于0.1秒，支持更大规模和线虫群体仿真。

3. 全闭环智能训练，智能线虫可蠕动向前

天演团队实现了物理仿真环境与生物神经系统的全闭环智能训练，驱动智能线虫实现了三维流体仿真环境中的实时蠕动前行。下一阶段计划逐步突破避障、觅食等复杂智能行为。

线虫在流体环境蠕动前行。（该行为由神经系统计算而出，不同颜色的变化代表神经元的激活信号和传递过程，右上角为肌肉信号的变化过程）

多线虫在流体环境蠕动前行。

天演团队独创神经元系统与肌肉动力学结合的关键技术，通过仿真线虫模型与仿真环境的全闭环模拟训练，重现线虫生物功能。由高精度神经系统控制的、与环境实时交互的秀丽线虫，能够像真实线虫一样嗅探并控制身体蠕动到感兴趣的目标。

多级别『数字生命孪生』

揭示生物智能机理，赋能医疗产业

天宝1.0模型是天演人工智能生命模拟工程的第一步，未来天演团队致力实现更大规模神经系统的模式动物数字生命孪生，从秀丽线虫（302个）、果蝇（10^5级别）、斑马鱼（10^7级别）、小鼠（10^8级别），直至模拟最高智慧的人类大脑，打通从生命智能实现智能生命的可行性路径。

此外，天演团队将逐步搭建模式动物高精度仿真软硬件平台，带动以生命数字孪生为核心的理论研究，脑科学与类脑智能研究，同时赋能医药研发、医疗诊断等众多行业。

以高精度医疗为例，全国导管消融例数2020年5万例，心律失常导管消融市场规模去年约150亿，对相关功能的需求潜力巨大。基于天演高精度生物仿真平台，有望为心脏消融手术、心律失常治疗等应用问题提供重要指导。

结 语

黄铁军院长在《人类能够制造出超级大脑吗？》公开演讲中曾表示，以科学计算为基础的人工神经网络并未真正触及智能的核心。未来以脑机理模拟为切口，探索生物脑内部的认知过程和范式，才是实现通用智能的根本途径。

结合神经科学领域的诸多成果，天演团队将沿着生物神经元精细模拟思路，启发新一代人工智能，尝试解决以深度学习为代表的智能模型普遍存在的智能水平低、可解释性差、泛化性低、高功耗等诸多问题。

黄铁军院长表示，天演团队创造了精细程度最高的智能线虫，并重现了部分生物功能。但是，这距离线虫数字世界的“重生”工作仍有很大进步空间。我们希望通过数年的不懈努力，率先构造出第一个具有通用人工智能的智能生命体。

天演团队的研究思路在国际人工智能与神经科学交叉领域属于前瞻性布局。国际上有关类脑智能研究，特别是精细类脑模拟与智能研究均为前沿重大研究课题，如欧盟脑计划，欧盟脑计划支持下的BlueBrain项目，美国脑计划等；此外，韩国、加拿大、日本等国家，以及Google、Facebook等科技巨头也有相关成果发布。

类脑智能研究一直是我国基础科研探索的重点发力方向，《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》已明确提出要瞄准脑科学、人工智能等前沿领域，实现关键技术突破。未来天演团队将在类脑前沿方向持续开疆扩土，在人工智能与神经科学交叉前沿领域交出更多代表作。

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