Используя мощь одного из быстрейших суперкомпьютеров планеты, ученые совершили прорыв, создав одну из самых полных и биологически реалистичных симуляций животного мозга. Эта цифровая реконструкция всей коры головного мозга мыши предоставляет исследователям беспрецедентные возможности для изучения функций мозга. Теперь можно воссоздавать такие состояния, как болезнь Альцгеймера или эпилепсия, в виртуальной среде, отслеживать распространение повреждений по нейронным цепям и исследовать процессы, лежащие в основе познания и сознания. Модель включает почти десять миллионов нейронов, 26 миллиардов синапсов и 86 взаимосвязанных областей мозга, воспроизводя их структуру и активность с высоким разрешением.
Это масштабное достижение стало возможным благодаря суперкомпьютеру «Фугаку» – флагманской высокопроизводительной системе Японии, способной выполнять квадриллионы вычислений в секунду. Над проектом работали ученые из Института Аллена и доктор Тадаши Ямазаки из Университета электрокоммуникаций Японии в партнерстве с тремя другими японскими организациями. Ожидается, что полные результаты исследования будут подробно представлены на SC25 – одной из ведущих мировых конференций по суперкомпьютерным технологиям, которая пройдет в середине ноября.
Виртуальная кора головного мозга позволяет исследователям изучать формирование неврологических расстройств, роль мозговых волн во внимании и распространение судорог по нейронным сетям. Ранее для ответа на подобные вопросы требовалась живая мозговая ткань, а исследования проводились в рамках отдельных экспериментов. Теперь ученые могут проверять множество гипотез в цифровом пространстве. Эти симуляции способны дать первые подсказки о начале мозговых расстройств еще до появления симптомов, а также предоставить безопасный способ для оценки потенциальных методов лечения.
«Это открывает новые горизонты. Мы можем эффективно проводить подобные симуляции мозга при наличии достаточной вычислительной мощности», – отметил доктор Антон Архипов, исследователь из Института Аллена, участвовавший в проекте. – «Это технический прорыв, который дает нам уверенность в том, что значительно более крупные модели не только возможны, но и достижимы с высокой точностью и в масштабе».
Это совместное усилие объединило глубокие знания в области нейронаук и вычислительную мощь машины мирового класса. Институт Аллена предоставил биологическую основу для виртуального мозга, используя данные из Allen Cell Types Database и Allen Connectivity Atlas, в то время как «Фугаку» взял на себя колоссальные вычисления, необходимые для создания модели.
«Фугаку», разработанный RIKEN и Fujitsu, входит в число самых быстрых компьютеров, когда-либо созданных, и способен обрабатывать более 400 квадриллионов операций в секунду. Чтобы осознать масштаб этой цифры: потребовалось бы более 12,7 миллиарда лет, чтобы досчитать до этого числа, считая по одной цифре в секунду (для сравнения, возраст Вселенной составляет примерно 13,8 миллиарда лет). Название системы – «Фугаку» – отсылает к горе Фудзи и отражает ее обширные возможности и выдающуюся производительность.
«Фугаку» используется для исследований в широком спектре областей вычислительной науки, таких как астрономия, метеорология и разработка лекарств, способствуя решению многих социальных проблем, – рассказал доктор Ямазаки. – В этот раз мы применили «Фугаку» для симуляции нейронных цепей».
Суперкомпьютер состоит из множества небольших обрабатывающих блоков, называемых узлами. Эти узлы организованы в блоки, полки и стойки, формируя систему из 158 976 узлов, способных обрабатывать огромные объемы данных и вычислений.
Используя Brain Modeling ToolKit Института Аллена, команда преобразовала биологические данные в функционирующую цифровую реконструкцию коры головного мозга. Для симуляции поведения живых нейронов был применен инструмент Neulite, который трансформировал математические уравнения в виртуальные нейроны, способные генерировать импульсы, передавать сигналы и обмениваться информацией так же, как и настоящие нейроны.
Наблюдение за симуляцией сродни наблюдению за живой активностью мозга. Модель воспроизводит мельчайшие детали структуры нейронов, синаптической активности и электрической сигнализации через клеточные мембраны. «Это технический подвиг, но это только первый шаг, – подчеркнул Ямазаки. – Я верю, что Бог кроется в деталях, и это относится к биофизически детализированным моделям».
«Наша долгосрочная цель – создание моделей всего мозга, в конечном итоге даже моделей человеческого мозга, с использованием всех биологических деталей, которые наш Институт открывает, – рассказал Архипов. – Сейчас мы переходим от моделирования отдельных областей мозга к симуляции всего мозга мыши». С появлением столь мощных вычислительных систем возможность создания полной, биологически точной модели мозга превращается из концепции в реальность. Ученые вступают в новую эру, где понимание мозга также означает способность его конструировать.
Это передовое исследование стало возможным благодаря работе международной команды, в которую вошли доктор Лаура Грин, доктор Беатрис Эррера, бакалавр Кель Дай, магистр Рин Курияма и доктор Каайя Акира.
