211service.com
Działający model mózgu
Ambitny projekt stworzenia dokładnego komputerowego modelu mózgu osiągnął imponujący kamień milowy. Naukowcy ze Szwajcarii współpracujący z badaczami IBM wykazali, że ich komputerowa symulacja kolumny nowej kory, prawdopodobnie najbardziej złożonej części mózgu ssaka, wydaje się zachowywać jak jej biologiczny odpowiednik. Naukowcy twierdzą, że demonstrując, że ich symulacja jest realistyczna, wyniki te sugerują, że cały mózg ssaka można by całkowicie zamodelować w ciągu trzech lat, a ludzki mózg w ciągu następnej dekady.
Siła mózgu: Ta reprezentacja pokazuje łączność 10 000 neuronów i 30 milionów połączeń, które tworzą pojedynczą kolumnę kory nowej. (Różne kolory odpowiadają różnym poziomom aktywności elektrycznej.) Po stworzeniu biologicznie dokładnego modelu komputerowego kolumny kory nowej, naukowcy planują teraz modelowanie całego ludzkiego mózgu w ciągu zaledwie 10 lat.
To, co robimy, to inżynieria wsteczna mózgu, mówi Henryk Markram , współdyrektor Brain Mind Institute w Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne w Szwajcarii, który kierował pracą, nazwał Niebieski mózg projektu, który rozpoczął się w 2005 roku. (Patrz IBM: The Computer Brain). Naśladując zachowanie mózgu aż do pojedynczego neuronu, naukowcy zamierzają stworzyć narzędzie do modelowania, które może być wykorzystywane przez neuronaukowców do przeprowadzania eksperymentów, testowania hipotez, i analizować efekty leków wydajniej niż przy użyciu prawdziwej tkanki mózgowej.
Model części mózgu został ukończony w zeszłym roku, mówi Markram. Ale teraz, po szeroko zakrojonych testach porównujących jego zachowanie z wynikami eksperymentów biologicznych, jest przekonany, że symulacja jest na tyle dokładna, że naukowcy mogą kontynuować pracę z resztą mózgu.
To niesamowita praca, mówi Thomas Serre , badacz neuronauki obliczeniowej na MIT. Prawdopodobnie będzie to miało ogromny wpływ na neuronaukę.
Projekt rozpoczął się od początkowego celu modelowania 10 000 neuronów i 30 milionów połączeń synaptycznych, które składają się na kolumnę kory nowej szczura, główny element budulcowy kory ssaków. Kolumna korowa nowej została wybrana jako punkt wyjścia, ponieważ jest powszechnie uznawana za szczególnie złożoną, o niejednorodnej strukturze składającej się z wielu różnych typów synaps i kanałów jonowych. Nie ma sensu marzyć o modelowaniu mózgu, jeśli nie można wymodelować jego małej części, mówi Markram.
Sam model opiera się na 15-letnich danych eksperymentalnych dotyczących morfologii neuronów, ekspresji genów, kanałów jonowych, połączeń synaptycznych i zapisów elektrofizjologicznych kolumn kory nowej szczurów. Następnie opracowano narzędzia programowe do przetwarzania tych informacji i automatycznej rekonstrukcji fizjologicznie dokładnych trójwymiarowych modeli neuronów i ich wzajemnych połączeń.
Połącz kropki: Reprezentacja ssaczej kolumny kory nowej, podstawowego budulca kory. Reprezentacja pokazuje złożoność tej części mózgu, którą teraz modelowano za pomocą superkomputera.
Kredyt: PKB/EPFL
Obwody neuronalne przetestowano, symulując określone bodźce wejściowe i obserwując, jak zachowują się obwody, w porównaniu z tymi w eksperymentach biologicznych. Tam, gdzie pojawiły się luki w wiedzy na temat zachowania niektórych części modelu, naukowcy wrócili do laboratorium i przeprowadzili eksperymenty, aby zidentyfikować rodzaje zachowań, które należy odtworzyć. W rzeczywistości około jedna trzecia zespołu 35 badaczy była poświęcona przeprowadzaniu takich eksperymentów, mówi Markram.
Dzięki iteracyjnemu procesowi testowania symulacja została stopniowo udoskonalona do punktu, w którym Markram ma pewność, że zachowuje się jak prawdziwa kolumna kory nowej.
Jednak żaden z tych wyników nie został do tej pory opublikowany w recenzowanej literaturze, mówi Christof Kocha , profesor biologii i inżynierii w Caltech. I nie jest to bynajmniej pierwszy komputerowy model mózgu, zaznacza. To raczej proces ewolucyjny niż rewolucyjny, mówi. Już w 1989 roku Koch stworzył symulację 10 000 neuronów, aczkolwiek w znacznie prostszym modelu.
Co więcej, Koch sceptycznie podchodzi do tego, jak szybko model mózgu może się rozwijać. Twierdzi, że wszelkie twierdzenia, że ludzki mózg można modelować w ciągu 10 lat, są tak niedorzeczne, że nie warto o nich dyskutować.
Mózgi szczurów mają około 200 milionów neuronów, podczas gdy mózgi ludzi mają od 50 do 100 miliardów neuronów. To duży wzrost, przyznaje Markram.
Jest jednak przekonany, że jego model jest wystarczająco solidny, aby można go było rozbudowywać w nieskończoność. Co więcej, uważa, że poziom szczegółowości modelu można również podnieść. Mówi, że jest w dość wysokiej rozdzielczości. To wciąż jest na poziomie komórkowym, ale chcemy spojrzeć na poziom molekularny. Umożliwiłoby to przeprowadzenie opartych na symulacji testów leków, pokazując, jak określone cząsteczki wpływają na białka, receptory i enzymy.
Nie zdziwiłbym się, gdyby mogli to zrobić, mówi Serre. Jednak nie jest jasne, co mogliby z tego wyciągnąć, mówi. Jeśli chcesz, aby ten model był użyteczny, musisz być w stanie zrozumieć, w jaki sposób zachowanie odnosi się do określonych funkcji mózgu. Jak dotąd nie jest jasne, czy udało się to projektowi Blue Brain, mówi.