Revoluce ve studiu mozku díky superpočítačovým simulacím
Vědci, pověřeni superpočítačem schopným provádět kvadriliony výpočtů každou sekundu, vytvořili jeden z nejdetailnějších virtuálních mozků, které byly dosud vytvořeny. Na konferenci SC25, pořádané Institutem Alana, bylo prezentováno, že mezinárodní tým výzkumníků popsal biofyzičně realistickou simulaci celého kůry myšího mozku. Tato simulace byla vytvořena s pomocí japonského superpočítače Fugaku a zahrnovala data z databáze buněčných typů Alan a Atlasu konektivity Alan.
Tým, vedený vědci z Institutu Alana a Univerzity pro elektrokomunikaci, vyvinul model s téměř deseti miliony neuronů a šestadvaceti miliardami synapsí. Tento model zachycuje strukturu a elektrické chování 86 vzájemně propojených oblastí mozku. Nazvaný nástrojem pro virtuální experimenty, tato simulace nabízí způsob, jak klást biologické otázky naživo v modelu, který existuje pouze na silikonu.
Místo provádění tenkých řezů tkáně jeden po druhém mohou nyní výzkumníci pozorovat vlny aktivity, které se šíří kůrou mozku, testovat, jak se rozvíjí epilepsie, nebo simulovat poškození spojené s Alzheimerovou chorobou, zatímco se přenášejí z jednoho okruhu do druhého. To, co se rýsuje, je změna v tom, jak by mohla být neurověda prováděna v rozsahu a rychlosti, aniž by bylo potřeba čekat na dokončení každého nového in vivo experimentu.
Rozsah simulace
Jádrem tohoto úspěchu je Fugaku, národní vlajková loď v oblasti superpočítačů, který byl navržen RIKEN a Fujitsu. Fugaku je složen z 158 976 vzájemně propojených uzlů umístěných v modulech a regálech, které společně vykonávají stovky kvadrilionů operací za sekundu. Tato infrastruktura umožňuje týmu transformovat obrovské biologické datové soubory do funkčního kůry pomocí Brain Modeling ToolKit Institutu Alana a nového neuronového simulátoru zvaného Neulite.
Výsledkem není animace, ale funkční digitální kůra, která se aktivuje, tlumí a reorganizuje podobně jako biologická. „Fugaku se používá pro výzkum v široké škále oborů počítačových věd, jako je astronomie, meteorologie a objevování léků, a přispívá k řešení mnoha společenských problémů,“ říká jeden z autorů studie Tadashi Yamazaki. „V tomto případě jsme použili Fugaku k simulaci neuronového okruhu.“
Nový způsob kladení biologických otázek
Tento model představuje zároveň technický krok a výzkumnou platformu. Umožňuje týmům testovat hypotézy, které dříve vyžadovaly invazivní záznamy nebo geneticky modifikované zvířecí linie. Nabízí také možnost režírovat terapeutické strategie a přizpůsobit vlastnosti okruhů, aby bylo možné zjistit, zda daná intervence může stabilizovat nekontrolovanou aktivitu nebo obnovit vyváženou komunikaci mezi oblastmi.
„To ukazuje, že brána je otevřena. Můžeme provádět podobné simulace mozku efektivně s dostatečným výpočetním výkonem,“ komentuje Anton Arkhipov. „Je to technický krok, který nám dává důvěru v to, že mnohem větší modely jsou nejen možné, ale i dosažitelné s precizností a rozsahem.“
Tým to považuje za raný, ale rozhodující krok směrem k úplným simulacím mozku a nakonec k modelům v lidském měřítku. Tato ambice bude vyžadovat ještě více dat, přesnější biofyziální měření a superpočítače další generace. Přesto byl tento princip již demonstrován. Realistické modelování celého mozku již není teoretické; funguje na stroji v Japonsku, neuron po neuronu a synapsi po synapsi, vytvářející digitální kůru, která se chová jako skutečný mozek a otevírá novou kapitolu v našem zkoumání mysli.
