Используя вычислительные мощности одного из самых быстрых суперкомпьютеров мира, ученые создали одну из крупнейших и наиболее точных биофизических моделей мозга животного.
Исследователям удалось воссоздать виртуальную копию всей коры мозга мыши. Такой цифровой «двойник» позволяет изучать работу мозга иначе: моделировать развитие болезней вроде Альцгеймера или эпилепсии, отслеживать, как повреждения распространяются по нейронным сетям, и исследовать механизмы внимания и сознания. В модели воспроизведены форма и функции коры: почти 10 миллионов нейронов, 26 миллиардов синапсов и 86 взаимосвязанных областей мозга.
Проект реализован на базе японского суперкомпьютера Fugaku, который выполняет квадриллионы операций в секунду — быстрее, чем человек успевает моргнуть.
Над симуляцией работали специалисты Института Аллена и профессор Тадаси Ямазаки из Университета электро-коммуникаций Японии совместно с тремя другими научными организациями страны. Итоги исследования представят в ноябре на конференции SC25.
Благодаря виртуальной модели ученые могут задавать вопросы, ответы на которые раньше требовали множества экспериментов на реальных тканях: как именно начинается заболевание, каким образом распространяется эпилептический приступ, как формируются ритмы мозга. Теперь все эти гипотезы можно безопасно тестировать в цифровой среде.
Подобные симуляции способны приблизить ученых к пониманию механизмов возникновения нарушений мозга еще до появления симптомов, а также позволят опробовать потенциальные методы терапии без риска для пациентов.
«Этот проект показывает: дверь открыта. Используя достаточно мощные вычислительные системы, можно эффективно запускать подобные симуляции мозга», — говорит Антон Архипов, исследователь Института Аллена. — «Это важный технический шаг, который подтверждает: создание куда более крупных моделей не только возможно, но и достижимо».
В этой международной работе объединились нейробиология и вычислительные технологии. Институт Аллена предоставил «чертеж» виртуального мозга, основанный на реальных данных из баз Cell Types Database и Connectivity Atlas, а суперкомпьютер Fugaku «оживил» эти данные.
Как создавали симуляцию всей коры
Fugaku — разработка RIKEN и Fujitsu — способен выполнять более 400 квадриллионов операций в секунду. Чтобы представить масштаб: если бы вы начали считать по одной цифре каждую секунду, вам понадобилось бы свыше 12,7 миллиарда лет, чтобы достичь этого числа — почти возраст Вселенной. Название «Fugaku» происходит от горы Фудзи, символизируя мощь и масштаб системы.
«Fugaku уже используется в различных областях — астрономии, метеорологии, разработке лекарств. Теперь мы применили его для моделирования нейронных цепей», — отметил Ямазаки.
Суперкомпьютер состоит из почти 159 тысяч вычислительных узлов, объединенных в многоуровневую систему, что позволяет обрабатывать огромные объемы данных.
Используя Brain Modeling ToolKit Института Аллена, команда перевела биологические данные в работающую цифровую модель коры. Нейронный симулятор Neulite преобразовал математические уравнения в активные нейроны, которые «стреляют», передают сигналы и взаимодействуют так же, как настоящие клетки.
Наблюдение за такой симуляцией похоже на просмотр реальных процессов в живом мозге: видны ветвистые структуры нейронов, активации синапсов и колебания электрической активности в клеточных мембранах.
«Это техническое достижение, но лишь первый шаг», — подчеркивает Ямазаки. — «Главное — детали, а биофизически точные модели позволяют эти детали увидеть».
«Наша долгосрочная цель — создание моделей всего мозга, в перспективе и человеческого, с учетом всех открываемых биологических особенностей», — добавляет Архипов. — «Сейчас мы переходим от моделирования отдельных областей к симуляции всего мозга мыши».
С подобной вычислительной мощностью идея полноценной, детальной модели мозга перестает быть фантастикой. Мир науки вступает в новую эпоху, где понять мозг — значит быть способным его построить.
Проект стал возможным благодаря международной команде исследователей: Лауре Грин, Беатрис Эррере, Каэлу Дай, Рин Курияме и Каее Акире.
О важном и интересном в районе, области и стране в нашем Telegram-канале. Подписывайтесь по ссылке!Служба информации «СГ»
