Ένας υπερυπολογιστής δημιούργησε τον πιο ρεαλιστικό ψηφιακό εγκέφαλο μέχρι σήμερα, ανοίγοντας νέους δρόμους στην επιστήμη. Το επίτευγμα αυτό μπορεί να βοηθήσει στην καλύτερη αντιμετώπιση των ασθενειών.
SuperAgers: Το μυστικό πίσω από την εξαιρετική μνήμη στα 80+
Υπερυπολογιστής πέτυχε το ακατόρθωτο: Δημιούργησε ψηφιακό εγκέφαλο – Ελπίδες για αντιμετώπιση των ασθενειών
Οι υπερυπολογιστές επιτρέπουν στους ερευνητές να πραγματοποιούν πολύπλοκους υπολογισμούς και αναλύσεις σε δεδομένα βιοϊατρικής μεγάλης κλίμακας, όπως την απεικόνιση δομών πρωτεϊνών και τη μελέτη γενετικών χαρακτηριστικών πληθυσμών παγκοσμίως. Η τεράστια υπολογιστική ισχύς επιτάχυνε κρίσιμες διαδικασίες, για παράδειγμα στην έγκριση και την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας εμβολίων κατά της COVID-19 μέσω στατιστικών και μεθόδων machine learning. Επιπλέον, η χρήση υπερυπολογιστών σε πρόβλεψη κινδύνου καρκίνου σε πληθυσμούς, σχεδιασμό φαρμάκων και άλλες βιοϊατρικές εφαρμογές αναδεικνύει τη σημασία τους για την επιτάχυνση της επιστημονικής έρευνας και της βελτίωσης της υγειονομικής περίθαλψης.
Τώρα, μια βιοφυσικά λεπτομερής προσομοίωση ολόκληρου του φλοιού του εγκεφάλου ποντικού, νευρώνα προς νευρώνα, με υποκυτταρική ανάλυση, δηλαδή, αποτυπώνοντας ροές ιόντων και διακυμάνσεις της τάσης της μεμβράνης μέσα σε πολλά διαμερίσματα που αποτελούν τις δενδριτικές μορφολογίες των νευρώνων, δημιουργήθηκε από τους επιστήμονες.
Οι νευρώνες είναι χρωματισμένοι ανάλογα με την περιοχή του φλοιού και φωτίζονται όταν είναι ενεργοί. Μόνο το 1% των νευρώνων εμφανίζεται για λόγους σαφήνειας. Η προσομοίωση αντιπροσωπεύει τη δραστηριότητα του φλοιού σε κατάσταση ηρεμίας.
Χρησιμοποιώντας τη δύναμη ενός από τους ταχύτερους υπερυπολογιστές στον κόσμο, οι επιστήμονες δημιούργησαν μία από τις πιο ολοκληρωμένες και βιολογικά ρεαλιστικές προσομοιώσεις εγκεφάλου ζώου που έχουν αναπτυχθεί ποτέ.
Αυτή η ψηφιακή ανακατασκευή του συνολικού φλοιού του εγκεφάλου ποντικού δίνει στους ερευνητές έναν νέο τρόπο να εξερευνήσουν τη λειτουργία του εγκεφάλου, αναδημιουργώντας συνθήκες όπως το Αλτσχάιμερ ή η επιληψία μέσα σε ένα εικονικό περιβάλλον.
Τους επιτρέπει να παρακολουθούν πώς εξαπλώνεται η βλάβη μέσα από τα νευρικά κυκλώματα και να διερευνούν τις διεργασίες που εμπλέκονται στη γνωστική λειτουργία και τη συνείδηση. Η προσομοίωση περιλαμβάνει σχεδόν δέκα εκατομμύρια νευρώνες, 26 δισεκατομμύρια συνάψεις και 86 συνδεδεμένες περιοχές του εγκεφάλου, αποτυπώνοντας τόσο τη δομή όσο και τη δραστηριότητα με υψηλή ανάλυση.
Αυτό το σημαντικό επίτευγμα κατέστη δυνατό χάρη στον υπερυπολογιστή Fugaku, το κορυφαίο σύστημα υψηλής απόδοσης της Ιαπωνίας, που είναι ικανό να εκτελεί τετραπλάσιους υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο.
Οι επιστήμονες από το Allen Institute και ο Tadashi Yamazaki, Ph.D., από το Πανεπιστήμιο Ηλεκτροεπικοινωνιών της Ιαπωνίας, συνεργάστηκαν με τρεις επιπλέον ιαπωνικούς οργανισμούς για να ηγηθούν αυτού του έργου. Τα πλήρη ευρήματα θα παρουσιαστούν σε άρθρο που θα δημοσιευθεί στο SC25, το κορυφαίο παγκόσμιο συνέδριο για τους υπερυπολογιστές που πραγματοποιείται στα μέσα Νοεμβρίου.
Συναρπαστική ανακάλυψη: Πώς «καθαρίζεται» ο εγκέφαλος και ενισχύεται η μνήμη στον βαθύ ύπνο
Ένας νέος τρόπος για τη μελέτη ασθενειών και της λειτουργίας του εγκεφάλου
Οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτόν τον ψηφιακό φλοιό για να μελετήσουν πώς σχηματίζονται νευρολογικές διαταραχές, πώς τα εγκεφαλικά κύματα συμβάλλουν στην προσοχή και πώς οι επιληπτικές κρίσεις διαπερνούν τα νευρωνικά δίκτυα. Στο παρελθόν, αυτού του είδους τα ερωτήματα απαιτούσαν πραγματικό εγκεφαλικό ιστό και μπορούσαν να διερευνηθούν μόνο μέσω μεμονωμένων πειραμάτων. Με αυτό το μοντέλο, οι επιστήμονες μπορούν να δοκιμάσουν πολλές ιδέες σε έναν ψηφιακό χώρο. Αυτές οι προσομοιώσεις ενδέχεται να προσφέρουν πρώιμα στοιχεία για το πώς ξεκινούν οι εγκεφαλικές διαταραχές πριν εμφανιστούν τα συμπτώματα και παρέχουν έναν ασφαλή τρόπο αξιολόγησης πιθανών θεραπειών.
«Αυτό δείχνει ότι η πόρτα είναι πλέον ανοιχτή. Μπορούμε να εκτελέσουμε αυτού του είδους τις προσομοιώσεις εγκεφάλου αποτελεσματικά, εφόσον υπάρχει επαρκής υπολογιστική ισχύς», δήλωσε ο Anton Arkhipov, Ph.D., ερευνητής στο Allen Institute που συμμετείχε στο έργο. «Αποτελεί ένα τεχνικό ορόσημο που μας δίνει την εμπιστοσύνη ότι πολύ μεγαλύτερα μοντέλα δεν είναι απλώς πιθανά, αλλά επιτεύξιμα με ακρίβεια και σε κλίμακα».
Αυτή η συνεργατική προσπάθεια συνδυάζει βαθιά γνώση της νευροεπιστήμης με την υπολογιστική ισχύ μιας παγκόσμιας κλάσης μηχανής. Το Allen Institute παρείχε τη βιολογική βάση για τον ψηφιακό εγκέφαλο χρησιμοποιώντας δεδομένα από τη Βάση Δεδομένων Τύπων Κυττάρων Allen και τον Άτλαντα Συνδεσιμότητας Allen, ενώ ο Fugaku διεκπεραίωσε τους τεράστιους υπολογισμούς που απαιτούνταν για τη δημιουργία του μοντέλου.
Ξεχνάμε απλώς ή μπορεί να είναι άνοια; Πώς να καταλάβουμε τη διαφορά
Πώς δημιουργήθηκε η προσομοίωση του συνολικού φλοιού
Ο Fugaku, που αναπτύχθηκε από την RIKEN και τη Fujitsu, συγκαταλέγεται στους ταχύτερους υπολογιστές που έχουν κατασκευαστεί ποτέ και μπορεί να επεξεργάζεται πάνω από 400 τετραπλάσιες λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο.
Για να αντιληφθεί κανείς το μέγεθος αυτού του αριθμού, αν μετρούσαμε μέχρι αυτόν με ρυθμό ενός αριθμού ανά δευτερόλεπτο, θα χρειάζονταν πάνω από 12,7 δισεκατομμύρια χρόνια (περίπου όσο η ηλικία του σύμπαντος: 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια). Το όνομα του συστήματος, «Fugaku», αναφέρεται στο Όρος Φούτζι και αντικατοπτρίζει την εκτενή δυνατότητα και την υψηλότατη απόδοση της μηχανής.
«Ο Fugaku χρησιμοποιείται για έρευνα σε ένα ευρύ φάσμα πεδίων υπολογιστικής επιστήμης, όπως η αστρονομία, η μετεωρολογία και η ανακάλυψη φαρμάκων, συμβάλλοντας στην επίλυση πολλών κοινωνικών προβλημάτων», δήλωσε ο Yamazaki. «Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιήσαμε τον Fugaku για προσομοίωση νευρωνικών κυκλωμάτων».
Ο υπερυπολογιστής αποτελείται από πολλές μικρές μονάδες επεξεργασίας που ονομάζονται κόμβοι (nodes). Αυτοί οι κόμβοι οργανώνονται σε μονάδες, ράφια και συστοιχίες, σχηματίζοντας ένα σύστημα συνολικά 158.976 κόμβων, που μπορούν να διαχειριστούν τεράστιους όγκους δεδομένων και υπολογισμών.
Από τα βιολογικά δεδομένα σε έναν ζωντανό ψηφιακό φλοιό
Χρησιμοποιώντας το Brain Modeling ToolKit του Allen Institute, η ομάδα μετέτρεψε βιολογικά δεδομένα σε μία λειτουργική ψηφιακή ανακατασκευή του φλοιού. Για να προσομοιωθεί η ζωντανή συμπεριφορά των νευρώνων, ένα εργαλείο που ονομάζεται Neulite μετέτρεψε μαθηματικές εξισώσεις σε εικονικούς νευρώνες ικανούς να πυροδοτούν σήματα και να επικοινωνούν όπως οι πραγματικοί νευρώνες.
Η παρακολούθηση της προσομοίωσης μοιάζει με την παρατήρηση ζωντανής εγκεφαλικής δραστηριότητας. Το μοντέλο αναπαράγει λεπτομέρειες της δομής των νευρώνων, της δραστηριότητας των συνάψεων και της ηλεκτρικής σηματοδότησης μέσω των κυτταρικών μεμβρανών. «Είναι ένα τεχνικό επίτευγμα, αλλά είναι μόνο το πρώτο βήμα», δήλωσε ο Yamazaki. «Ο Θεός κρύβεται στις λεπτομέρειες, και γι’ αυτό πιστεύω στα βιοφυσικά λεπτομερή μοντέλα».
«Ο μακροπρόθεσμος στόχος μας είναι να κατασκευάσουμε μοντέλα ολόκληρου του εγκεφάλου, τελικά ακόμα και ανθρώπινα μοντέλα, χρησιμοποιώντας όλα τα βιολογικά δεδομένα που ανακαλύπτει το Ινστιτούτο μας», δήλωσε ο Arkhipov.
Ποιος τρόπος γραφής μπορεί να βελτιώσει την ανάπτυξη του εγκεφάλου και την απομνημόνευση στα παιδιά
«Πλέον περνάμε από τη μοντελοποίηση μεμονωμένων περιοχών του εγκεφάλου στη συνολική προσομοίωση ολόκληρου του εγκεφάλου του ποντικού». Με τόσο ισχυρά υπολογιστικά συστήματα, η δυνατότητα δημιουργίας ενός πλήρους, βιολογικά ακριβούς μοντέλου εγκεφάλου μεταβαίνει από την έννοια στη χειροπιαστή πραγματικότητα. Οι επιστήμονες εισέρχονται σε μια νέα εποχή, όπου η κατανόηση του εγκεφάλου σημαίνει πλέον και την ικανότητα κατασκευής του.