Новый шаг в нейробиологии: симуляция мозга мыши с почти 10 миллионами нейронов

Исследователи из Японии создали одну из самых сложных и биологически точных симуляций мозга животных, используя возможности одного из самых мощных суперкомпьютеров в мире. Эта цифровая модель всей коры головного мозга мыши открывает уникальные возможности для изучения различных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и эпилепсия. Модель позволяет исследовать, как распространяются повреждения в нейронных цепях и изучать процессы, связанные с когнитивными функциями и сознанием. Моделирование включает в себя почти десять миллионов нейронов, 26 миллиардов синапсов и 86 связанных между собой областей мозга, показывая как структуру, так и активность с высоким разрешением.

Для создания этой модели использовался суперкомпьютер Fugaku, разработанный компанией RIKEN совместно с Fujitsu. Fugaku — это одна из самых быстрых вычислительных машин в мире, способная выполнять квадриллионы операций в секунду. Благодаря его мощностям, удалось создать виртуальную модель мозга, которая позволяет исследовать сложнейшие механизмы, связанные с функционированием головного мозга, и получать новые данные для разработки методов лечения различных заболеваний.

Преимущества виртуальной симуляции мозга

Виртуальная кора головного мозга, воссозданная с помощью Fugaku, предоставляет уникальные возможности для исследователей. Используя эту модель, можно не только изучать, как развиваются заболевания, такие как эпилепсия или болезнь Альцгеймера, но и исследовать влияние мозговых волн на внимание, а также следить за распространением эпилептических припадков по нейронным сетям. В отличие от работы с реальной мозговой тканью, эта симуляция позволяет безопасно тестировать гипотезы и проверять различные теории.

С помощью такой модели ученые могут предсказать, как заболевания могут развиваться до появления первых симптомов, и изучить возможные методы лечения. Это также открывает новые горизонты для ранней диагностики и разработки инновационных терапевтических подходов.

"Это показывает, что дверь открыта. Мы можем эффективно проводить подобные симуляции мозга при достаточной вычислительной мощности", — заявил исследователь из Института Аллена, работавший над проектом, доктор философии Антон Архипов.

Создание симуляции: шаг за шагом

Моделирование мозга — это сложный процесс, требующий огромных вычислительных мощностей. С помощью Fugaku, который способен выполнять более 400 квадриллионов операций в секунду, исследователи смогли смоделировать нейронные цепи с высокой точностью. Чтобы понять масштаб этих вычислений, представьте, что на выполнение одного счёта в секунду требуется более 12,7 миллиарда лет. Таким образом, мощность Fugaku открывает новые возможности для исследований, позволяя создавать высокоточные модели, которые невозможно было бы реализовать на менее мощных системах.

Процесс создания модели начинался с биологических данных, полученных из базы данных Аллена. Эти данные использовались для создания биологически точной цифровой реконструкции коры головного мозга. Инструмент Neulite, разработанный в Институте Аллена, преобразовал математические уравнения в виртуальные нейроны, которые могут генерировать импульсы и взаимодействовать, как настоящие нейроны.

Возможности для будущих исследований

Создание подобной симуляции — это только первый шаг на пути к пониманию работы мозга. Исследования будут продолжаться, и в будущем учёные планируют создать полные модели мозга человека, используя все доступные биологические данные. Это откроет возможности для разработки новых методов лечения заболеваний мозга и может стать основой для создания персонализированных терапевтических подходов, ориентированных на конкретные нейронные нарушения.

"Наша долгосрочная цель — создание моделей всего мозга, в конечном итоге даже человека, с использованием всех биологических данных, которые открывает наш институт", — сказал Архипов.

Процесс создания таких сложных моделей требует глубоких знаний в области нейронауки и вычислительных технологий. Системы, такие как Fugaku, делают возможным создание таких точных симуляций, что ставит этот проект на новый уровень в области нейробиологии.

Сравнение моделей и возможностей

Для сравнения, традиционные методы исследования нейробиологии часто ограничены использованием реальных мозговых тканей, что связано с многочисленными этическими и техническими сложностями. Моделирование на основе данных и мощных вычислительных систем открывает новые горизонты, позволяя избежать этих ограничений.

1. Традиционные методы:

   • Требуют работы с реальной тканью мозга

   • Ограничены этическими и техническими аспектами

   • Не всегда позволяют быстро тестировать гипотезы

2. Моделирование с использованием суперкомпьютеров:

   • Безопасность исследования

   • Возможность тестировать множество гипотез одновременно

   • Высокая точность и детализация

Советы шаг за шагом: как использовать модели мозга

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: Использование традиционных методов для создания моделей мозга.

• Последствие: Ограниченные возможности для исследований, высокие затраты на ресурсы.

• Альтернатива: Использование виртуальных моделей мозга с применением суперкомпьютеров, что позволяет ускорить исследования и снизить затраты.

А что если…?

Что если такие технологии позволят нам не только лечить болезни, но и улучшать когнитивные функции у здоровых людей? С каждым шагом в развитии этих симуляций мы приближаемся к созданию персонализированных терапевтических методов, способных значительно повысить качество жизни.

Плюсы и минусы использования виртуальных моделей мозга

FAQ

1. Как выбрать подходящий суперкомпьютер для моделирования мозга?
   Выбирайте системы с высокой вычислительной мощностью, такие как Fugaku, для обработки больших объёмов данных.

2. Сколько времени требуется для создания модели мозга?
   Процесс создания модели может занять несколько лет, в зависимости от сложности и масштаба проекта.

3. Что лучше: реальная ткань мозга или виртуальные симуляции?
   Виртуальные симуляции обеспечивают большую безопасность и точность в исследовательских целях.

Мифы и правда

Миф: Моделирование мозга с помощью суперкомпьютеров не даст точных результатов.
Правда: Суперкомпьютеры, такие как Fugaku, позволяют создавать высокоточную модель, которая может точно воспроизводить процессы в мозге.

Сон и психология

Симуляции мозга также могут оказать влияние на исследования сна и нейробиологических процессов, таких как память и внимание, что открывает новые горизонты для изучения психологии.

3 интересных факта

1. Суперкомпьютер Fugaku способен выполнять более 400 квадриллионов операций в секунду.

2. Моделирование мозга на этом уровне стало возможным благодаря сотрудничеству ученых из разных стран и организаций.

3. Создание модели мозга мыши — это первый шаг к моделированию человеческого мозга.

Исторический контекст

Проект по моделированию мозга — это не первая попытка создать виртуальную модель нейронных цепей. Подобные разработки начали активно развиваться с конца 20 века, однако только с появлением мощных суперкомпьютеров стало возможно создание точных и масштабных моделей.