GENESIS (The General Neural Simulation System ) — это среда моделирования для построения реалистичных моделей нейробиологических систем на многих уровнях масштаба, включая: субклеточные процессы, отдельные нейроны, сети нейронов и нейронные системы. Эти моделирования представляют собой «компьютерные реализации моделей, чья главная цель — охватить то, что известно об анатомической структуре и физиологических характеристиках интересующей нейронной системы». [4] GENESIS предназначен для количественной оценки физической структуры нервной системы таким образом, чтобы можно было легко понять физическую структуру рассматриваемых нервов. «В настоящее время только GENESIS позволяет проводить параллельное моделирование отдельных нейронов и сетей на параллельных компьютерах с несколькими инструкциями и несколькими данными». [5] Разработка программного обеспечения GENESIS распространилась из Калифорнийского технологического института в лаборатории Техасского университета в Сан-Антонио , Антверпенского университета , Национального центра биологических наук в Бангалоре, Университета Колорадо , Питтсбургского суперкомпьютерного центра , Суперкомпьютерного центра Сан-Диего и Университета Эмори .
GENESIS работает, создавая среды моделирования для построения моделей нейронов или нейронных систем . « Нервные клетки способны общаться друг с другом таким высокоструктурированным образом, что образуют нейронные сети. Чтобы понять нейронные сети, необходимо понять способы, которыми один нейрон общается с другим через синаптические связи, и процесс, называемый синаптической передачей». [6] Нейроны имеют специализированную структуру для своей функции, они «отличаются от большинства других клеток в организме тем, что они поляризованы и имеют различные морфологические области, каждая со специфическими функциями». [6] Двумя важными областями нейрона являются дендрит и аксон . «Дендриты — это область, где один нейрон получает связи от других нейронов. Тело клетки или сом содержит ядро и другие органеллы, необходимые для клеточной функции. Аксон является ключевым компонентом нервных клеток, по которому информация передается от одной части нейрона (например, тела клетки) к конечным областям нейрона». [6] Третья важная часть нейрона — синапс . «Синапс — это конечная область аксона, где один нейрон образует связь с другим и передает информацию посредством процесса синаптической передачи». [6]
Нейронные сети, подобные тем, что моделируются с помощью программного обеспечения GENESIS, могут быстро стать очень сложными и трудными для понимания. «Всего несколько взаимосвязанных нейронов (микросхема) могут выполнять сложные задачи, такие как опосредование рефлексов, обработка сенсорной информации, генерирование локомоции и опосредование обучения и памяти. Еще более сложные сети, макросхемы, состоят из нескольких встроенных микросхем. Макросхемы опосредуют высшие функции мозга, такие как распознавание объектов и познание». [6] GENESIS стремится моделировать нейронные системы такими, какими они встречаются в природе. Часто «нейрон может получать контакты от до 10 000 пресинаптических нейронов, и, в свою очередь, любой нейрон может контактировать с до 10 000 постсинаптическими нейронами. Комбинаторная возможность может привести к чрезвычайно сложным нейронным схемам или топологиям сетей, которые могут быть очень трудны для понимания». [6]
GENESIS был разработан доктором Джеймсом М. Бауэром в лаборатории Калифорнийского технологического института и впервые выпущен для публики в 1988 году совместно с первым курсом «Методы вычислительной нейронауки» в Морской биологической лаборатории в Вудс-Холе , штат Массачусетс. Полный исходный код программного обеспечения был выпущен в том же году в рамках открытой модели программного обеспечения для разработки. В настоящее время он поддерживается Инициативой вычислительной биологии в Техасском университете в Сан-Антонио и доступен бесплатно вместе с учебными пособиями по его использованию. P-GENESIS, параллельная версия GENESIS, была впервые запущена в 1990 году на Intel Delta, которая была прототипом для семейства Intel Paragon массивно-параллельных суперкомпьютеров. [7]
GENESIS полезен при создании среды моделирования для построения моделей нейробиологических систем, таких как:
Система GENESIS сложна, но относительно проста в использовании.
Пользователь может вводить команды одним из трех способов: файлы скриптов, графический пользовательский интерфейс или командная оболочка GENESIS. Затем эти команды обрабатываются интерпретатором языка скриптов. «Интерпретатор языка скриптов обрабатывает команды, введенные с клавиатуры, файлов скриптов или графического пользовательского интерфейса, и передает их в механизм симуляции GENESIS. Механизм симуляции также загружает скомпилированные библиотеки объектов, считывает и записывает файлы данных и взаимодействует с графическим пользовательским интерфейсом». [8] Ниже приведено графическое представление процесса ввода данных пользователем и пример вывода GENESIS.
Большинство современных приложений GENESIS включают реалистичное моделирование биологических систем. Обычно он используется для моделирования поведения более крупных структур мозга, например, коры головного мозга . Эти исследования чаще всего проводятся в лабораторных курсах по нейронному моделированию в Калтехе и Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоул, Массачусетс.
GENESIS может использоваться в сочетании с программным обеспечением Йельского университета под названием NEURON в качестве средства для совместной работы ученых с целью создания физического описания нервной системы. Программное обеспечение GENESIS также может использоваться с Kinetikit для моделирования путей передачи сигнала. [9]
GENESIS использовался во многих исследованиях. [10] Некоторые из этих исследований включают исследования, которые фокусируются на разработке программного обеспечения, которое было бы полезно во многих дисциплинах. Другие являются исследованиями нейронов, таких как клетки Пуркинье . Эти исследования использовали GENESIS для моделирования клеток Пуркинье и могли бы быть полезны для планирования и разработки последующих экспериментов с использованием программного обеспечения GENESIS.
Также могут быть биомедицинские приложения программного обеспечения. Например, St. Jude Medical в Европе разработала имплантируемое устройство GENESIS. [11]