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Hacker News 13일 전

신경 세포 자동화 기반 형태 발생 모델

IMP
8/10
핵심 요약

구글과 타프츠 대학교 연구진이 단일 세포로부터 복잡한 생물학적 형태를 자가 조립하고 손상된 부위를 재생하는 '신경 세포 자동화(Neural Cellular Automata)' 모델을 발표했습니다. 이 모델은 미분 가능한 시스템을 통해 단순한 규칙만으로 복잡한 구조를 형성하고 유지하는 생명체의 형태 발생(Morphogenesis) 과정을 성공적으로 시뮬레이션합니다. 이는 단순한 세포 집단이 어떻게 전체 형태를 인지하고 제어하는지를 규명하는 인공지능 및 발생 생물학 연구에 중요한 진전을 의미합니다.

번역된 본문

Distill - 성장하는 신경 세포 자동화: 미분 가능한 형태 발생 모델

이미지를 클릭하거나 터치하여 패턴의 일부를 지우고 재생되는 과정을 확인할 수 있습니다. 더블 클릭 시 그리드에 새로운 시드(Seed) 세포가 생성됩니다. 속도 및 모델 유형(성장, 지속, 재생, 회전 등)을 조절할 수 있는 인터랙티브한 데모를 제공합니다.

[실험 4] 성장(Growing) 모델은 패턴을 생성하도록 학습되었지만, 이를 지속하는 방법은 모릅니다. 일부 패턴은 폭발하고 일부는 쇠퇴하지만, 일부는 거의 안정적이거나 심지어 일부가 재생되기도 합니다.

[실험 1] 지속(Persistent) 모델은 패턴이 오랜 기간 유지되도록 학습되었습니다. 흥미롭게도, 명시적인 지시가 없었음에도 불구하고 종종 스스로 재생 능력을 개발합니다.

[실험 2] 재생(Regenerating) 모델은 학습 과정에서 패턴 손상을 겪었기 때문에, 특히 중심 영역에서 재생 능력이 훨씬 강합니다. [실험 3]

이 연구는 노트북에서 직접 실습해 볼 수 있으며, 구글의 알렉산더 모드빈체프(Alexander Mordvintsev), 에토레 란다조(Ettore Randazzo), 에이빈드 니클라손(Eyvind Niklasson) 그리고 타프츠 대학교 알렌 발견 센터의 마이클 레빈(Michael Levin)이 공동 저자로 참여했습니다. (2020년 2월 11일 게재)

본 아티클은 '미분 가능한 자가 조직화 시스템(Differentiable Self-organizing Systems)' 스레드의 일부로, 이 분야의 전문가들의 비평을 포함하여 미분 가능한 자가 조직화 시스템을 탐구하는 초청 단문 형식의 실험적 포맷입니다. (관련 연구: 자가 분류 MNIST 숫자)

대부분의 다세포 생물은 단일 난자 세포로부터 삶을 시작합니다. 이 단일 세포의 자손은 매번 정확히 동일한 배열로 여러 기관과 조직을 갖춘 매우 복잡한 해부학적 구조를 안정적으로 자가 조립합니다. 자신의 몸을 구축하는 능력은 아마도 모든 생명체가 가진 가장 근본적인 능력일 것입니다. 형태 발생(Morphogenesis, 생물체의 형태가 발달하는 과정)은 자가 조직화(Self-organisation)라는 현상의 가장 두드러진 예시 중 하나입니다. 신체의 작은 구성 요소인 세포는 이웃 세포들과 통신하여 기관과 신체 계획의 형태, 각 기관이 자라야 할 위치, 상호 연결 방법 및 결국 언제 성장을 멈출지 결정합니다.

단순한 규칙에서 복잡한 결과가 창발(Emergence)하는 현상과, 외부 교란 하에서도 신체를 안정된 상태로 유지하거나 올바른 전체 형태를 보존하려는 항상성적 자기 조절 피드백 루프(Homeostatic Self-regulatory feedback loops) 사이의 상호 작용을 이해하는 것은 활발한 연구 분야입니다. 분명한 것은, 진화는 물리학과 컴퓨팅 법칙을 활용하여 유전체로 암호화된 세포 하드웨어에서 실행되는 매우 강건한 형태 발생 소프트웨어를 구현하는 방법을 학습해 왔다는 것입니다. 이 과정은 외부의 교란에 대해 극도로 강건합니다. 생물체가 완전히 발달한 후에도 일부 종은 손상을 복구할 수 있는 능력을 갖추고 있으며, 이를 재생(Regeneration)이라고 합니다. 도롱뇽 같은 생물은 중요한 장기, 사지, 눈, 심지어 뇌의 일부까지도 완전히 재생할 수 있습니다!

형태 발생은 놀라울 정도로 적응적인 과정입니다. 때로는 매우 비전형적인 발달 과정도 생존 가능한 유기체를 만들어낼 수 있습니다. 예를 들어, 초기 포유류 배아가 둘로 나뉘면 각각의 반쪽이 완전한 개체를 형성하여 일란성 쌍둥이가 태어납니다! 이 분야의 가장 큰 미스터리는 세포 집단이 무엇을 만들어야 하는지, 그리고 언제 멈춰야 하는지 어떻게 아는지에 대한 질문입니다. 게노믹스(Genomics)와 줄기세포 생물학은 각 세포 내의 특정 성분 분배와 다양한 유형의 세포 확립을 설명할 뿐 전체 그림의 일부에 불과합니다. 우리가 재생 과정에 필요한 많은 유전자를 알고 있음에도 불구하고, 세포가 복잡한 기관을 매우 구체적인 해부학적 최종 목표에 맞게 구축하거나 재구성하는 방법을 아는 데 충분한 알고리즘은 아직 알지 못합니다. 따라서 생명의학 향후 연구의 가장 중요한 핵심 중 하나는 세포 집단 내에서 대규모 해부학적 구조가 어떻게 지정되는지, 그리고 이 정보를 어떻게 재작성하여 성장과 형태에 대한 합리적인 통제를 가할 수 있는지를 발견하는 것입니다. 또한 생명의 소프트웨어가...

원문 보기
원문 보기 (영어)
Distill Growing Neural Cellular Automata Differentiable Model of Morphogenesis Click or tap the image to erase the part of the pattern and see it regenerate. Double clicking places a new seed cell on the grid. Speed: Step ( step/s) Model type: Growing Persistent Regenerating Rotation [experiment 4] Growing models were trained to generate patterns, but don't know how to persist them. Some patterns explode, some decay, but some happen to be almost stable or even regenerate parts! [experiment 1] Persistent models are trained to make the pattern stay for a prolonged period of time. Interstingly, they often develop some regenerative capabilities without being explicitly instructed to do so [experiment 2] . Regenerating models were subject to pattern damages during training, so their regenerative capabilities are much stronger, especially in the central area. [experiment 3] Try in a Notebook Authors Affiliations Alexander Mordvintsev Google Ettore Randazzo Google Eyvind Niklasson Google Michael Levin Allen Discovery Center at Tufts University Published Feb. 11, 2020 DOI 10.23915/distill.00023 This article is part of the Differentiable Self-organizing Systems Thread , an experimental format collecting invited short articles delving into differentiable self-organizing systems, interspersed with critical commentary from several experts in adjacent fields. Differentiable Self-organizing Systems Thread Self-classifying MNIST Digits Most multicellular organisms begin their life as a single egg cell - a single cell whose progeny reliably self-assemble into highly complex anatomies with many organs and tissues in precisely the same arrangement each time. The ability to build their own bodies is probably the most fundamental skill every living creature possesses. Morphogenesis (the process of an organism’s shape development) is one of the most striking examples of a phenomenon called self-organisation . Cells, the tiny building blocks of bodies, communicate with their neighbors to decide the shape of organs and body plans, where to grow each organ, how to interconnect them, and when to eventually stop. Understanding the interplay of the emergence of complex outcomes from simple rules and homeostatic Self-regulatory feedback loops trying maintain the body in a stable state or preserve its correct overall morphology under external perturbations feedback loops is an active area of research . What is clear is that evolution has learned to exploit the laws of physics and computation to implement the highly robust morphogenetic software that runs on genome-encoded cellular hardware. This process is extremely robust to perturbations. Even when the organism is fully developed, some species still have the capability to repair damage - a process known as regeneration. Some creatures, such as salamanders, can fully regenerate vital organs, limbs, eyes, or even parts of the brain! Morphogenesis is a surprisingly adaptive process. Sometimes even a very atypical development process can result in a viable organism - for example, when an early mammalian embryo is cut in two, each half will form a complete individual - monozygotic twins! The biggest puzzle in this field is the question of how the cell collective knows what to build and when to stop. The sciences of genomics and stem cell biology are only part of the puzzle, as they explain the distribution of specific components in each cell, and the establishment of different types of cells. While we know of many genes that are required for the process of regeneration, we still do not know the algorithm that is sufficient for cells to know how to build or remodel complex organs to a very specific anatomical end-goal. Thus, one major lynch-pin of future work in biomedicine is the discovery of the process by which large-scale anatomy is specified within cell collectives, and how we can rewrite this information to have rational control of growth and form. It is also becoming clear that the software of life possesses numerous modules or subroutines, such as “build an eye here”, which can be activated with simple signal triggers . Discovery of such subroutines and a mapping out of the developmental logic is a new field at the intersection of developmental biology and computer science. An important next step is to try to formulate computational models of this process, both to enrich the conceptual toolkit of biologists and to help translate the discoveries of biology into better robotics and computational technology. Imagine if we could design systems of the same plasticity and robustness as biological life: structures and machines that could grow and repair themselves. Such technology would transform the current efforts in regenerative medicine, where scientists and clinicians seek to discover the inputs or stimuli that could cause cells in the body to build structures on demand as needed. To help crack the puzzle of the morphogenetic code, and also exploit the insights of biology to create self-repairing systems in real life, we try to replicate some of the desired properties in an in silico experiment. Model Those in engineering disciplines and researchers often use many kinds of simulations incorporating local interaction, including systems of partial derivative equation (PDEs), particle systems, and various kinds of Cellular Automata (CA). We will focus on Cellular Automata models as a roadmap for the effort of identifying cell-level rules which give rise to complex, regenerative behavior of the collective. CAs typically consist of a grid of cells being iteratively updated, with the same set of rules being applied to each cell at every step. The new state of a cell depends only on the states of the few cells in its immediate neighborhood. Despite their apparent simplicity, CAs often demonstrate rich, interesting behaviours, and have a long history of being applied to modeling biological phenomena. Let’s try to develop a cellular automata update rule that, starting from a single cell, will produce a predefined multicellular pattern on a 2D grid. This is our analogous toy model of organism development. To design the CA, we must specify the possible cell states, and their update function. Typical CA models represent cell states with a set of discrete values, although variants using vectors of continuous values exist. The use of continuous values has the virtue of allowing the update rule to be a differentiable function of the cell’s neighbourhood’s states. The rules that guide individual cell behavior based on the local environment are analogous to the low-level hardware specification encoded by the genome of an organism. Running our model for a set amount of steps from a starting configuration will reveal the patterning behavior that is enabled by such hardware. So - what is so special about differentiable update rules? They will allow us to use the powerful language of loss functions to express our wishes, and the extensive existing machinery around gradient-based numerical optimization to fulfill them. The art of stacking together differentiable functions, and optimizing their parameters to perform various tasks has a long history. In recent years it has flourished under various names, such as (Deep) Neural Networks, Deep Learning or Differentiable Programming. Cell State We will represent each cell state as a vector of 16 real values (see the figure above). The first three channels represent the cell color visible to us (RGB). The target pattern has color channel values in range [ 0 . 0 , 1 . 0 ] [0.0, 1.0] [ 0 . 0 , 1 . 0 ] and an α \alpha α equal to 1.0 for foreground pixels, and 0.0 for background. The alpha channel ( α \alpha α ) has a special meaning: it demarcates living cells, those belonging to the pattern being grown. In particular, cells having α > 0 . 1 \alpha > 0.1 α > 0 . 1 and their neighbors are considered “living”. Other cells are “dead” or empty and have their state vector values explicitly set to 0.0 at each ti