Virtuālo smadzeņu izveide var izklausīties kā zinātniskās fantastikas murgs, taču Japānas un Sietlas neirozinātniekiem Allena institūtstas ir liels solis ceļā uz senu sapni.
Viņi saka, ka viņu peles garozas simulācija, palaist tālāk viens no pasaulē ātrākajiem superdatoriemgalu galā varētu pavērt ceļu uz tādu slimību kā Alcheimera slimības un epilepsijas mehānismu izpratni un, iespējams, apziņas noslēpumu atšķetināšanu.
“Tas parāda, ka durvis ir atvērtas,” Allena institūta pētnieks Antons Arhipovs teica šodien a ziņu izlaidums. “Tas ir tehnisks pavērsiens, kas sniedz mums pārliecību, ka daudz lielāki modeļi ir ne tikai iespējami, guess arī sasniedzami ar precizitāti un mērogu.”
Arhipovs un viņa kolēģi apraksta projektu a pētnieciskais darbs, kas šonedēļ tiks prezentēts Sentluisā laikā SC25 konference par augstas veiktspējas skaitļošanu. Simulācija modelē visas peles garozas darbību, kas aptver gandrīz 10 miljonus neironu, ko savieno 26 miljardi sinapses.
Lai izveidotu simulāciju, pētnieki ievadīja datus no Allena šūnu tipu datu bāze un Allena savienojuma atlants Supercomputer Fugaku, skaitļošanas klasterī, ko izstrādājis Fujitsu un Japānas RIKEN skaitļošanas zinātnes centrs. Fugaku spēj izpildīt vairāk nekā 400 kvadriljonus operāciju sekundē jeb 400 petaflops.
Milzīgā datu kopa tika pārveidota 3-D modelī, izmantojot Allena institūta Smadzeņu modelēšanas rīku komplekts. Simulācijas programma sauc Neulīts atdzīvināja datus kā virtuālus neironus, kas mijiedarbojas viens ar otru kā dzīvas smadzeņu šūnas.
Zinātnieki palaida programmu dažādos scenārijos, tostarp eksperimentā, kurā tika izmantota pilna mēroga Fugaku konfigurācija, lai modelētu visu peles garozu.
“Mūsu simulācijā katrs neirons tiek modelēts kā liels mijiedarbojošu nodalījumu koks – simtiem nodalījumu katrā neironā,” komentāros, kas nosūtīti GeekWire, sacīja Arhipovs. “Tas ir, mēs uztveram dažas sub-šūnu struktūras un dinamiku katrā neironā.”
Pilna mēroga simulācijas laikā vienas sekundes reāllaika aktivitātes simulēšana dzīvās peles smadzenēs aizņēma ne vairāk kā 32 sekundes. “Šis veiktspējas līmenis – 32 reizes lēnāks nekā reālajā laikā – ir diezgan iespaidīgs šāda izmēra un sarežģītības sistēmai,” sacīja Arhipovs. “Tas nav nekas neparasts, ka šādām ļoti detalizētām simulācijām (pat daudz mazākām par mūsējo) var redzēt tūkstošiem reižu lēnāku faktoru.”
Pētnieki atzīst, ka ir nepieciešams daudz vairāk darba, lai viņu simulāciju pārvērstu par modeli, kas spēj izsekot neiroloģiskas slimības progresam. Piemēram, modelis neatspoguļo smadzeņu plastiskumu – tas ir, smadzeņu spēju pārslēgt savus savienojumus.
“Ja mēs vēlamies pieminēt kaut ko specifisku papildus plastiskumam, tad viens aspekts, kas trūkst, ir neiromodulatoru ietekme, un otrs ir tas, ka mums pašlaik nav ļoti detalizēta sensoro ievades attēlojuma mūsu visa garozas simulācijās,” sacīja Arhipovs. “Visiem šiem jautājumiem mums ir nepieciešams daudz vairāk datu, nekā pašlaik ir pieejams, lai izveidotu daudz labākus modeļus, lai gan dažus tuvinājumus vai hipotēzes varētu ieviest un pārbaudīt tagad, kad mums ir funkcionējoša visa garozas simulācija.”
Arhipovs sacīja, ka projekta ilgtermiņa mērķis ir simulēt visas smadzenes, nevis tikai garozu. “Ir atšķirība starp visu garozu un veselām smadzenēm,” viņš norādīja. “Peles garozā (un mūsu modelī) ir aptuveni 10 miljoni neironu, guess visās peles smadzenēs ir aptuveni 70 miljoni neironu.”
Cilvēka un smadzeņu simulācijai būtu nepieciešams vēl lielāks lēciens. Cilvēka garozā vien ir ne tikai 10 miljoni neironu, guess 21 miljardu.
Labā ziņa ir tā, ka pietiekami jaudīgs superdators varētu tikt galā ar uzdevumu. “Mūsu darbs liecina, ka ļoti detalizētas lielāku smadzeņu simulācijas mikroskopiskā līmenī var būt iespējamas ātrāk nekā iepriekš gaidīts,” sacīja Arhipovs. “Rezultāti liecina, ka visu pērtiķu smadzeņu simulācija (piemēram, makaka pērtiķa ar 6 miljardiem neironu) var ietilpt pilna mēroga Fugaku sistēmā.”
Arhipovs sacīja, ka ir svarīgi norādīt, ka smadzeņu modeļa izveide superdatorā “nenozīmē, ka šāds modelis ir pilnīgs vai precīzs”.
“Šeit mēs runājam par simulāciju tehnisko iespējamību, un izskatās, ka šādas simulācijas pat pērtiķu smadzeņu mērogā tagad ir sasniedzamas,” viņš teica. “Guess, lai šādas simulācijas būtu bioloģiski reālistiskas, būtu jāveic daudz vairāk eksperimentālu datu iegūšanas un modeļu veidošanas darbu.”
Rin Kuriyama un Kaaya Akira no Elektrosakaru universitātes Tokijā ir galvenie autori SC25 prezentētajam rakstam ar nosaukumu “Mikroskopiskā līmeņa peles visa garozas simulācija, kas sastāv no 9 miljoniem biofizikālo neironu un 26 miljardiem sinapsēm superdatorā Fugaku.” Papildus Arhipovam starp Allena institūta autoriem ir Laura Grīna, Beatriza Herrera un Kael Dai. Citi pētījuma autori ir Tadashi Yamazaki un Mari Iura no Elektrokomunikāciju universitātes; Gilles Gouaillardet un Asako Terasawa no Informācijas zinātnes un tehnoloģiju pētniecības organizācijas Hjogo, Japānā; Taira Kobajaši no Jamaguči universitātes; un Jūns Igaraši no RIKEN skaitļošanas zinātnes centra.
