Виртуальная модель позволяет изучать болезни мозга в цифровой среде — от распространения повреждений при болезни Альцгеймера до механизмов эпилептических приступов. Теперь гипотезы можно проверять виртуально, не проводя каждый раз эксперименты на живой ткани. Это открывает возможности для тестирования новых методов лечения в безопасной цифровой среде еще до появления симптомов заболеваний.
Суперкомпьютер симулировал работу 10 миллионов нейронов мыши
Ученые из Института Аллена и Токийского электротехнического университета создали одну из крупнейших и самых детальных биофизических симуляций мозга животного. Используя японский суперкомпьютер Fugaku, они воссоздали всю кору мозга мыши с почти 10 миллионами нейронов, 26 миллиардами синапсов и 86 связанными областями.
Биофизически детализированное моделирование всей коры головного мозга мыши по нейронам с субклеточным разрешением, то есть с учетом ионных потоков и колебаний мембранного напряжения во многих компартментах, из которых состоит древовидная морфология нейронов. Нейроны окрашены в цвета по областям коры головного мозга и отмечены вспышкой света, когда они активны. Для наглядности показан только 1% нейронов. Моделирование представляет «спонтанную» активность коры головного мозга в состоянии покоя. https://alleninstitute.org/
Симуляция коры мыши с 10 миллионами нейронов — впечатляющий технический прорыв, но до человеческого мозга еще очень далеко. В мозге человека около 86 миллиардов нейронов — в 8600 раз больше, и 100-150 триллионов синапсов — в 5000 раз больше, чем в модели. Даже мощнейший суперкомпьютер мира пока смог воссоздать только кору мыши, а это далеко не весь мозг. Полная симуляция человеческого мозга со всеми подкорковыми структурами при современных темпах развития вычислений задача даже не ближайшего десятилетия.
Интерактивная база мозга мыши.
Fugaku — один из мощнейших суперкомпьютеров мира, способный выполнять более 400 квадриллионов операций в секунду. Команда использовала данные из баз Института Аллена о типах клеток и связях мозга, а японская система Fugaku с ее 158 976 вычислительными узлами «оживила» эту информацию. Симулятор нейронов Neulite превратил уравнения в клетки, которые посылают сигналы так же, как живые нейроны. Работа представлена на конференции SC25.
И это только начало
Экспрессия Cre обогащена в корковых слоях 2/3/4. Трансгенная линия мышей Foxp2-IRES-Cre.
«Это показывает, что дверь открыта. Мы можем эффективно проводить такие симуляции мозга при достаточной вычислительной мощности», — отметил Антон Архипов из Института Аллена. Он подчеркнул, что это технический рубеж, дающий уверенность, что можно создать еще более масштабные модели с еще более высокой точностью и детализацией.
Долгосрочная цель проекта — создание моделей целого мозга, включая человеческий, с учетом всех биологических деталей. Команда уже переходит от моделирования отдельных областей к симуляции всего мозга мыши.