Ученые создали цифровой мозг мыши, и он невероятно реалистичен
Международная команда ученых использовала суперкомпьютер Fugaku для создания одной из крупнейших и наиболее реалистичных виртуальных моделей коры головного мозга мыши, когда-либо созданных.
Цифровой мозг ведет себя как настоящий, что позволяет ученым безопасно изучать развитие заболеваний, динамику нейронных процессов и потенциальные методы лечения в условиях симуляции. Объединив биологические наборы данных с мощным программным обеспечением для моделирования, международная команда доказала, что теперь возможно создавать крупномасштабные биофизически точные модели мозга.
Прорыв в моделировании всей коры головного мозга с помощью суперкомпьютера
Используя мощность одного из самых быстрых суперкомпьютеров на Земле, исследователи создали одну из самых обширных и детальных биофизически реалистичных симуляций мозга животного на сегодняшний день. Эта полностью цифровая версия коры головного мозга мыши дает ученым новый способ изучить работу мозга, воссоздавая такие состояния, как болезнь Альцгеймера или эпилепсия, в виртуальной среде. Они могут наблюдать, как повреждения распространяются по нейронным сетям, или исследовать процессы, связанные с когнитивными функциями и сознанием. Модель отражает как структуру, так и активность, включая почти десять миллионов нейронов, 26 миллиардов синапсов и 86 связанных между собой областей мозга.
Это достижение стало возможным благодаря суперкомпьютеру Fugaku, флагманской системе Японии, способной выполнять квадриллионы вычислений в секунду. Команды из Института Аллена вместе с доктором Тадаши Ямазаки из Японского университета электрокоммуникаций и тремя другими японскими учреждениями совместно реализовали этот проект. Полная информация будет представлена в статье, которая будет опубликована на SC25, ведущей мировой конференции по супервычислениям, которая состоится в середине ноября.
Fugaku и международная команда открывают новые горизонты в нейробиологии
Теперь ученые могут использовать эту модель коры головного мозга мыши для изучения того, как развиваются заболевания, как мозговые волны поддерживают внимание или как судороги распространяются по мозгу. Раньше для таких исследований требовались настоящие биологические ткани, и их можно было проводить только по одному эксперименту за раз. С помощью этого нового подхода исследователи могут изучать множество идей в виртуальном пространстве. Моделирование может помочь выявить ранние признаки неврологических расстройств до появления симптомов и позволит ученым безопасно оценивать потенциальные методы лечения или терапии в цифровой среде.
«Это показывает, что дверь открыта. Мы можем эффективно проводить такие симуляции мозга, имея достаточную вычислительную мощность», — сказал Антон Архипов, доктор философии, исследователь из Института Аллена, который работал над этим проектом. «Это технический прорыв, который дает нам уверенность в том, что гораздо более крупные модели не только возможны, но и достижимы с высокой точностью и в большом масштабе».
Это международное сотрудничество объединяет глубокие знания в области нейробиологии и передовые вычислительные возможности. Институт Аллена предоставил структуру и биологические детали для цифрового мозга, используя данные из базы данных типов клеток Аллена и атласа связей Аллена, а японская компания Fugaku выполнила вычисления, которые превратили эту информацию в функционирующую симуляцию.
Объединение биологических данных с огромной вычислительной мощностью
Fugaku, совместно разработанный RIKEN и Fujitsu, является одним из самых быстрых суперкомпьютеров в мире, способным выполнять более 400 квадриллионов операций в секунду. Чтобы представить себе эту цифру, представьте, что если бы вы начали считать прямо сейчас, по одному в секунду, то вам понадобилось бы более 12,7 миллиардов лет, чтобы досчитать до этого числа (примерно столько же, сколько возраст Вселенной: 13,8 миллиардов лет). Название «Fugaku» происходит от горы Фудзи, и, как и высокий пик и широкое основание этой горы, оно было выбрано, чтобы символизировать его мощь и широкий охват.
«Fugaku используется для исследований в широком спектре областей вычислительной науки, таких как астрономия, метеорология и разработка лекарственных препаратов, способствуя решению многих социальных проблем», — сказал Ямазаки. «В данном случае мы использовали Fugaku для моделирования нейронных цепей».
Суперкомпьютер состоит из небольших частей, называемых узлами, которые сгруппированы в слои, такие как блоки, полки и стойки. Вместе эти компоненты составляют в общей сложности 158 976 узлов, что позволяет Fugaku обрабатывать огромные объемы данных и вычислений.
Используя инструментарий Allen Institute's Brain Modeling ToolKit, команда преобразовала данные в рабочую цифровую симуляцию коры головного мозга. Симулятор нейронов Neulite преобразовал уравнения в нейроны, которые генерируют импульсы, сигналы и обмениваются информацией, как их живые аналоги.
Превращение реальных данных в биофизически точную виртуальную кору головного мозга
Наблюдать за симулированной корой головного мозга мыши — все равно что наблюдать за биологией в реальном времени. Она отражает фактическую структуру и поведение клеток мозга, вплоть до ветвей, исходящих от нейронов, активации синапсов — крошечных контактов, передающих сообщения от вышестоящих нейронов к ветвям нижестоящих нейронов — и приливов и отливов электрических сигналов через мембраны. «Это технический подвиг, но это только первый шаг», — сказал Ямазаки. «Бог в деталях, поэтому я верю в биофизически детализированные модели».
«Наша долгосрочная цель — построить модели всего мозга, в конечном итоге даже модели человеческого мозга, используя все биологические детали, которые обнаруживает наш институт», — сказал Архипов. «Сейчас мы переходим от моделирования отдельных областей мозга к моделированию всего мозга мыши». С такой вычислительной мощностью цель создания полной, биофизически точной модели мозга больше не является научной фантастикой. Ученые находятся на новой границе, где понимание мозга означает, в буквальном смысле, способность построить его.
