Исследователи использовали один из самых мощных суперкомпьютеров в мире для создания крупнейшей и наиболее детальной биофизически реалистичной симуляции мозга животного. Виртуальная копия всей коры мозга мыши открывает новые возможности для изучения неврологических заболеваний и механизмов сознания.
Цифровая модель включает почти 10 миллионов нейронов, 26 миллиардов синапсов и 86 взаимосвязанных областей мозга. Симуляция воспроизводит как структуру, так и функции настоящего органа, позволяя наблюдать за распространением повреждений в нейронных сетях при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера или эпилепсия.
Проект реализован на базе японского суперкомпьютера Fugaku, способного выполнять квадриллионы вычислений в секунду. Разработку возглавили специалисты Allen Institute совместно с доктором Тадаши Ямадзаки из японского University of Electro-Communications и тремя другими японскими организациями. Результаты работы будут представлены на конференции SC25 в середине ноября.
Практическое применение виртуального мозга
Модель позволяет исследователям задавать конкретные вопросы о развитии заболеваний, влиянии мозговых волн на концентрацию внимания или механизмах распространения судорог. Ранее подобные эксперименты требовали использования реальной мозговой ткани и проводились поштучно. Теперь гипотезы можно проверять в виртуальной среде.
Симуляция помогает выявлять, как начинаются проблемы с мозгом до появления симптомов, и тестировать новые методы лечения в безопасной цифровой среде.
Это показывает, что дверь открыта. Мы можем эффективно запускать такие симуляции мозга при достаточной вычислительной мощности. Это технический рубеж, дающий уверенность, что гораздо более крупные модели не только возможны, но и достижимы с точностью и масштабом.
Технология создания симуляции
Fugaku, совместно разработанный RIKEN и Fujitsu, входит в число быстрейших суперкомпьютеров мира и выполняет более 400 квадриллионов операций в секунду. Для сравнения: если начать считать прямо сейчас по одному числу в секунду, потребуется более 12,7 миллиарда лет, чтобы достичь этого числа – примерно возраст Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет.
Fugaku используется для исследований в широком спектре областей вычислительной науки, таких как астрономия, метеорология и разработка лекарств, способствуя решению многих социальных проблем. В этом случае мы использовали Fugaku для симуляции нейронной сети.
Суперкомпьютер состоит из 158 976 узлов, организованных в блоки, полки и стойки, что позволяет обрабатывать массивные объемы данных и вычислений.
Команда использовала Brain Modeling ToolKit от Allen Institute для преобразования данных в работающую цифровую симуляцию коры. Нейронный симулятор Neulite превратил уравнения в нейроны, которые генерируют импульсы и передают сигналы подобно живым клеткам.
Allen Institute предоставил чертеж виртуального мозга и биофизические свойства через реальные данные из Allen Cell Types Database и Allen Connectivity Atlas, а Fugaku воплотил эту информацию в жизнь.
Наблюдение за симулированной корой мыши напоминает наблюдение за биологией в режиме реального времени. Модель воспроизводит фактическую структуру и поведение клеток мозга, включая ветви нейронов, активацию синапсов – крошечных контактов, передающих сообщения от восходящих нейронов к ветвям нисходящих нейронов, – и потоки электрических сигналов через мембраны.
Это технический подвиг, но лишь первый шаг. Бог в деталях, так что я верю в биофизически детальные модели.
Перспективы развития
Наша долгосрочная цель – построить модели всего мозга, в конечном итоге даже человеческие, используя все биологические детали, которые раскрывает наш институт. Мы переходим от моделирования отдельных областей мозга к симуляции всего мозга мыши.
Благодаря такой вычислительной мощности цель создания полной биофизически точной модели мозга перестала быть научной фантастикой. Ученые находятся на новом рубеже, где понимание мозга буквально означает способность его построить.