Используя мощности одного из самых быстрых суперкомпьютеров в мире, исследователи создали детализированную модель мозга животного, беспрецедентно реалистичную с точки зрения биофизики. Виртуальная копия коры головного мозга мыши позволяет исследователям изучать нервную систему по-новому, виртуально моделируя такие заболевания, как болезнь Альцгеймера или эпилепсия. Симуляции позволяют детально наблюдать за распространением повреждений в нейронных сетях или изучать когнитивные способности и сознание. Модель имитирует как форму, так и функции коры, оперируя почти десятью миллионами нейронов и 26 миллиардами синапсов, которые входят в 86 взаимосвязанных отделов мозга.
Это впечатляющее достижение стало возможным благодаря Fugaku, флагманскому японскому суперкомпьютеру, который обрабатывает квадриллионы вычислений в секунду. Руководство проектом осуществляли ученые из Института Аллена (Сиэтл) и Тадаси Ямадзаки из японского Университета электронных коммуникаций. О достигнутом будет рассказано на SC25, главном мировом форуме по суперкомпьютерам, который пройдет в ближайшее время.
С помощью модели коры головного мозга мыши ученые могут отвечать на вопросы о том, что происходит при тех или иных нейродегенеративных патологиях, как мозговые волны формируют фокус или как в мозге распространяются судороги, а затем проверять свои гипотезы. До этого для решения каждой проблемы требовалось большое количество подопытных животных. Теперь исследователи могут проверять гипотезы виртуально, не причиняя вреда живым существам. Такое моделирование поможет выявить, как возникают проблемы до появления симптомов, и позволит исследователям безопасно тестировать новые методы профилактики и лечения in silico (в цифровой среде).
Как создавалась симуляция
Суперкомпьютер Fugaku, разработанный совместно институтом RIKEN и компанией Fujitsu, является одним из самых быстрых суперкомпьютеров в мире, способным выполнять более 400 квадриллионов (4*1017) операций в секунду. Для сравнения: если бы вы начали считать прямо сейчас, по одной операции в секунду, вам потребовалось бы более 12,7 миллиардов лет, чтобы достичь этого числа (почти столько же, сколько существует Вселенная — 13,8 миллиарда лет). Название Fugaku происходит от имени горы Фудзи, имеющей высокую вершину и широкое основание. по мнению разработчиков, имя должно символизировать мощь и широту охвата.
Fugaku востребован в самых разных областях вычислительной науки, таких как астрономия и астрофизика, поиск темной энергии и темной материи, метеорология и разработка лекарств. В данном случае ученые использовали Fugaku для моделирования нейронных сетей живого организма.
Суперкомпьютер состоит из 158 976 небольших узлов, которые сгруппированы в слои, похожие на платы, полки и стойки.
Используя набор инструментов для моделирования, команда преобразовала данные в работающую цифровую модель коры головного мозга. Нейронный симулятор Neulite превратил цифровые данные в виртуальные нейроны, которые генерируют импульсы, подают сигналы и взаимодействуют друг с другом, как их живые аналоги.
Наблюдать за смоделированной корой головного мозга мыши — все равно что наблюдать за биологическими процессами в реальном времени. Модель отражает реальную структуру и поведение клеток коры, вплоть до ответвлений нейронов, активации синапсов — крошечных контактов, передающих сообщения от вышестоящих нейронов к нижестоящим, — а также приливов и отливов электрических сигналов в мембранах.
Наша среднесрочная цель — создать полную модель мозга мыши, а в перспективе даже модели человеческого мозга, используя все биологические детали, которые открывает наш институт. С такими вычислительными мощностями создание полной, биофизически точной модели перестало быть научной фантастикой. Ученые вышли на новый уровень, где понимание мозга в буквальном смысле означает возможность его создания.
О выполненной на суперкомпьютере Fugaku симуляции слияния черных дыр мы рассказали здесь.
