Створення віртуального мозку може здатися науково-фантастичним кошмаром, але для нейробіологів у Японії та в Seattle’s Allen Institute, це великий крок до досягнення довгочасно прагнутої мети. Вони зазначають, що їхня симуляція мишастого мозкового придатка, що працює на одному з найшвидших у світі суперкомп’ютерів, може в кінцевому підсумку відкрити шлях до розуміння механізмів, що лежать в основі таких захворювань, як хвороба Альцгеймера та епілепсія — і, можливо, розкрити таємниці свідомості.
«Це відкриває двері», — сказав дослідник Allen Institute Антон Архіпов сьогодні в прес-релізі. «Це технічний прорив, який дає нам впевненість, що набагато більші моделі не тільки можливі, але й досяжні з точністю та масштабом».
Архіпов та його колеги описують проєкт у науковому дослідженні, яке буде представлено цього тижня в St. Louis під час SC25 конференції з високопродуктивних обчислень. Симуляція моделює активність всього мишастого мозкового придатка, що охоплює майже 10 мільйонів нейронів, з’єднаних 26 мільярдами синапсів. Для створення симуляції дослідники надали дані з Allen Cell Types Database та Allen Connectivity Atlas суперкомп’ютеру Fugaku, кластеру обчислень, розробленому Fujitsu та японським центром обчислювальної науки RIKEN – Center for Computational Science. Fugaku здатний виконувати понад 400 трильйонів операцій на секунду, або 400 петафлопс.
Масивний набір даних було перетворено на 3D-модель за допомогою Allen Institute’s Brain Modeling ToolKit. Симуляційний програмний засіб Neulite приніс дані до життя як віртуальні нейрони, які взаємодіють один з одним як живі клітини мозку. Науковці запускали програму в різних сценаріях, включно з експериментом, який використовував повний масштаб Fugaku, щоб змоделювати весь мишастий мозок.
«У нашій симуляції кожен нейрон моделюється як велике дерево взаємодіючих компонентів — сотні компонентів на нейрон», — сказав Архіпов у коментарях, надісланих GeekWire. «Тобто ми захоплюємо деякі субклітинні структури та динаміку всередині кожного нейрона».
Під час повномасштабної симуляції не зайняло більше 32 секунд, щоб змоделювати одну секунду реальної активності в житті мишачого мозку. «Цей рівень продуктивності — в 32 рази повільніше, ніж у реальному часі — є досить вражаючим для системи такого розміру та складності», — сказав Архіпов. «Це не рідкість бачити коефіцієнт тисяч разів повільніший для таких дуже деталізованих симуляцій (навіть менше, ніж наша)».
Дослідники визнають, що знадобиться значно більше роботи, щоб перетворити їхню симуляцію на модель, здатну відстежувати прогрес неврологічного захворювання. Наприклад, модель не відображає мозкову пластичність — тобто здатність мозку переналаштовувати свої зв’язки. «Якщо ми хочемо згадати щось конкретне, крім пластичності, то один аспект, який відсутній, це вплив нейромодуляторів, а інший — відсутність дуже детального представлення сенсорних входів у наших симуляціях всього мозку», — сказав Архіпов. «Для всіх цього нам потрібно набагато більше даних, ніж зараз доступно, щоб створити набагато кращі моделі, хоча деякі припущення або гіпотези можна було б реалізувати та протестувати зараз, маючи робочу симуляцію всього мозку».
Архіпов зазначив, що довгостроковою метою проєкту є симуляція всього мозку, а не лише мозкового придатка. «Є відмінність між мозковим придатком і повним мозком», — підкреслив він. «Мишастий мозок (і наша модель його) містить близько 10 мільйонів нейронів, тоді як повний мишачий мозок містить близько 70 мільйонів нейронів».
Симуляція людського мозку вимагала б ще більшого стрибка вперед. Людський мозок сам по собі містить не лише 10 мільйонів нейронів, а й 21 мільярд.
Хороші новини в тому, що достатньо потужний суперкомп’ютер може справитися з цим завданням. «Наша робота показує, що дуже деталізовані мікроскопічні симуляції більших мозок можуть бути можливими швидше, ніж раніше очікувалося», — сказав Архіпов. «Результати свідчать про те, що симуляція всього мавпячого мозку (наприклад, мавпи-резуса з 6 мільярдами нейронів) може поміститися на повномасштабному Fugaku системі».
Архіпов зазначив, що важливо підкреслити, що створення моделлю мозку на суперкомп’ютері «не означає, що така модель є повною або точною». «Тут ми говоримо про технічну здійсненність симуляцій, і здається, що такі симуляції навіть на рівні мозку мавпи зараз досяжні. Але щоб зробити такі симуляції біологічно реалістичними, потрібно було б зробити значно більше експериментальної продукції даних та роботи з моделювання».
Рин Куріяма та Кая Акїра з Університету Електрокомунікацій у Токіо є головними авторами статті, представленої на SC25, під назвою «Мікроскопічна симуляція всього мозку мавпи, складена з 9 мільйонів біофізичних нейронів і 26 мільярдів синапсів на суперкомп’ютері Fugaku». Крім Архіпова, авторами з Allen Institute є Лаура Грін, Беатрис Херера та Кейл Дай. Інші автори – Тадасі Ямазакі та Марі Іура з Університету Електрокомунікацій; Гілле Гоуаillardet та Асако Терусава з Research Organization for Information Science and Technology у Хьоґо, Японія; Тайра Кобаяші з Yamaguchi University; і Джун Ігараші з RIKEN Center for Computational Science.