stringtranslate.com

Моделирование мозга

В области вычислительной нейробиологии моделирование мозга — это концепция создания функционирующей компьютерной модели мозга или его части. [1] Проекты по моделированию мозга призваны способствовать полному пониманию работы мозга и, в конечном итоге, также способствовать процессу лечения и диагностики заболеваний головного мозга . [2] [3] В симуляциях используются математические модели биологических нейронов , такие как модель Ходжкина-Хаксли , для моделирования поведения нейронов или других клеток мозга.

Различные симуляции со всего мира были полностью или частично выпущены в качестве программного обеспечения с открытым исходным кодом , например C. elegans , [4] и Blue Brain Project Showcase. [5] В 2013 году проект «Человеческий мозг» , в котором использовались методы, использованные в проекте «Голубой мозг» и основанные на них, [6] был создан Платформа моделирования мозга (BSP), доступная в Интернете совместная платформа , предназначенная для моделирования моделей мозга. .

Моделирование мозга может выполняться с разным уровнем детализации, причем для большей детализации требуются значительно более высокие вычислительные возможности. Некоторые симуляции могут учитывать только поведение областей без моделирования отдельных нейронов. Другие симуляции моделируют поведение отдельных нейронов, силу связей между нейронами и то, как эти связи изменяются. [7] Для этого необходимо иметь карту нейронов целевого организма и их связей, называемую коннектомом . [8] Высокодетализированное моделирование может точно моделировать электрофизиологию каждого отдельного нейрона, потенциально даже его метаболома и протеома , а также состояние их белковых комплексов . [9]

Тематические исследования

Со временем исследования по моделированию мозга сосредоточились на все более сложных организмах, начиная с примитивных организмов, таких как нематода C. elegans , и заканчивая моделированием человеческого мозга.

Круглый червь

Карта мозга аскариды C. elegans : 302 нейрона, соединенных между собой 5000 синапсами.

Связь нейронной цепи сенсорной чувствительности простой нематоды C. elegans (круглый червь) была нанесена на карту в 1985 году [10] и частично смоделирована в 1993 году. [11] С 2004 года было проведено множество программных симуляций всей нервной и мышечной системы. разработан, включая моделирование физической среды червя. Некоторые из этих моделей, включая исходный код , доступны для загрузки. [12] [4] Однако до сих пор недостаточно понимания того, как нейроны и связи между ними генерируют удивительно сложный диапазон поведения, наблюдаемый в относительно простом организме. [13] [14] Этот контраст между кажущейся простотой того, как нанесенные на карту нейроны взаимодействуют со своими соседями, и чрезмерной сложностью общей функции мозга, является примером эмерджентного свойства . [15] Этот вид эмерджентного свойства аналогичен искусственным нейронным сетям , нейроны которых чрезвычайно просты по сравнению с их часто сложными абстрактными выходными данными.

Дрозофила

Мозг плодовой мухи дрозофилы также тщательно изучен. Смоделированная модель мозга плодовой мухи предлагает уникальную модель родственных нейронов. [16] Как и круглый червь, он доступен как программное обеспечение с открытым исходным кодом . [17]

Мышь и крыса

В 2006 году проект Blue Brain Project , возглавляемый Генри Маркрамом , создал свою первую модель неокортикального столба с упрощенными нейронами. А в ноябре 2007 года было завершено создание первоначальной модели неокортикального столба крысы. Это ознаменовало окончание первого этапа, в ходе которого был реализован основанный на данных процесс создания, проверки и исследования неокортикального столба. [18] [19] Неокортекс считается наименьшей функциональной единицей неокортекса . Неокортекс — это часть мозга, которая, как считается, отвечает за функции более высокого порядка, такие как сознательное мышление, и содержит 10 000 нейронов в мозге крысы (и 10 8 синапсов ).

Искусственная нейронная сеть , описанная как «такая же большая и сложная, как половина мозга мыши» [20] с 8 миллионами нейронов и 6300 синапсами на нейрон, была запущена на суперкомпьютере IBM Blue Gene исследовательской группой Университета Невады и IBM. Альмаденом в 2007 году. [21] Каждая секунда смоделированного времени занимала десять секунд компьютерного времени. Исследователи заявили, что наблюдали «биологически последовательные» нервные импульсы, проходящие через виртуальную кору головного мозга. Однако в симуляции отсутствовали структуры, наблюдаемые в мозге реальных мышей, и они намерены повысить точность моделей нейронов и синапсов. [22] Позже в том же году IBM увеличила количество нейронов до 16 миллионов и 8000 синапсов на нейрон, 5 секунд из которых моделировались за 265 секунд реального времени. [23] К 2009 году исследователям удалось увеличить это число до 1,6 миллиарда нейронов и 9 триллионов синапсов, что заняло целых 144 ТБ оперативной памяти суперкомпьютера. [24]

В 2019 году Идан Сегев, один из вычислительных нейробиологов, работающих над проектом «Голубой мозг», выступил с докладом на тему: «Мозг в компьютере: чему я научился, моделируя мозг». В своем выступлении он упомянул, что вся кора головного мозга мыши готова и скоро начнутся виртуальные эксперименты по ЭЭГ. Он также упомянул, что модель стала слишком тяжелой для суперкомпьютеров, которые они использовали в то время, и что, следовательно, они изучали методы, в которых каждый нейрон можно было бы представить в виде нейронной сети (подробности см. В цитировании). [25]

В 2023 году исследователи из Университета Дьюка провели сканирование мозга мыши с особенно высоким разрешением. [26]

Синий мозг

Blue Brain — проект, запущенный в мае 2005 года IBM и Швейцарским федеральным технологическим институтом в Лозанне . Целью проекта было создание компьютерной модели коры головного мозга млекопитающих вплоть до молекулярного уровня. [27] В проекте используется суперкомпьютер , основанный на разработке IBM Blue Gene, для моделирования электрического поведения нейронов на основе их синаптической связи и ионной проницаемости. Проект стремится в конечном итоге раскрыть понимание человеческого познания и различных психических расстройств, вызванных неисправностью нейронов, таких как аутизм , а также понять, как фармакологические агенты влияют на поведение сети.

Человек

Оценки того, какая вычислительная мощность необходима для имитации человеческого мозга на различных уровнях детализации в логарифмическом масштабе. [9]

Человеческий мозг содержит 86 миллиардов нейронов, [28] каждый из которых имеет в среднем около 10 000 связей. По одной из оценок, для очень детальной полной реконструкции человеческого коннектома потребуется зеттабайт (10 21 байт) хранилища данных. [29]

Суперкомпьютер, обладающий такими же вычислительными возможностями, как человеческий мозг, планируется запустить в эксплуатацию в апреле 2024 года. [30] Названный «DeepSouth», он сможет выполнять 228 триллионов синаптических операций в секунду. [31]

К компьютер

В конце 2013 года исследователи из Японии и Германии использовали компьютер K , который на тот момент был четвертым по скорости суперкомпьютером, и программное обеспечение для моделирования NEST , чтобы смоделировать 1% человеческого мозга. Моделирование смоделировало сеть, состоящую из 1,73 миллиарда нервных клеток, соединенных 10,4 триллиона синапсов. Для реализации этого подвига программа задействовала 82 944 процессора K Computer. Процесс занял 40 минут, чтобы завершить симуляцию 1 секунды активности нейронной сети в реальном биологическом времени. [32] [33]

Проект человеческого мозга

Проект человеческого мозга (HBP) представлял собой 10-летнюю программу исследований, финансируемую Европейским Союзом . Он начался в 2013 году, и в нем приняли участие около 500 ученых по всей Европе. [34] Включает в себя 6 платформ:

Платформа моделирования мозга (BSP) — это устройство с доступными через Интернет инструментами, которое позволяет проводить исследования, которые невозможны в лаборатории. Они применяют методы Blue Brain к другим областям мозга, таким как мозжечок , гиппокамп и базальные ганглии . [35]

Открытый источник

Различные модели мозга были выпущены в виде программного обеспечения с открытым исходным кодом и доступны на таких сайтах, как GitHub, включая аскариды C. elegans, [4] плодовую мушку Drosophila , [ 17 ] и модели человеческого мозга Elysia [36] и Спауна , [37] , которые основаны на архитектуре программного обеспечения NENGO . [38] Демонстрация проекта Blue Brain также иллюстрирует, как модели и данные из проекта Blue Brain могут быть преобразованы в NeuroML и PyNN ( модели нейронных сетей Python ). [5]

Платформа моделирования мозга (BSP) — это открытая платформа совместной работы для моделирования мозга с доступом в Интернет, созданная проектом Human Brain Project . [35]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Фань, Сюэ; Маркрам, Генри (7 мая 2019 г.). «Краткая история симуляционной нейронауки». Границы нейроинформатики . 13:32 . дои : 10.3389/fninf.2019.00032 . ПМК  6513977 . ПМИД  31133838.
  2. ^ «Нейроинформатика и проект «Голубой мозг»». Информатика из технологических сетей . Проверено 30 января 2018 г.
  3. ↑ Коломбо, Маттео (4 марта 2017 г.). «Зачем создавать виртуальный мозг? Крупномасштабное нейронное моделирование как толчок развитию когнитивных вычислений». Журнал экспериментального и теоретического искусственного интеллекта . 29 (2): 361–370. Бибкод : 2017JETAI..29..361C. дои : 10.1080/0952813X.2016.1148076 . S2CID  205634599.
  4. ^ abc C. Elegans моделирование, проект программного обеспечения с открытым исходным кодом на Github
  5. ^ ab «Обзор - Демонстрация проекта Blue Brain - Мозг с открытым исходным кодом» . Мозг с открытым исходным кодом . Архивировано из оригинала 26 ноября 2020 года . Проверено 5 мая 2020 г.
  6. ^ Проект «Человеческий мозг», Рамочное соглашение о партнерстве https://www.humanbrainproject.eu/documents/10180/538356/FPA++Annex+1+Part+B/41c4da2e-0e69-4295-8e98-3484677d661f. Архивировано 2 февраля 2017 г. в Wayback Machine
  7. ↑ Фан, Шелли (30 мая 2019 г.). «Решающая роль моделирования мозга в будущей нейронауке». Центр сингулярности . Проверено 29 марта 2024 г.
  8. ^ Сын, Себастьян. «Другой взгляд на масштабное моделирование мозга». Научный американец . Проверено 29 марта 2024 г.
  9. ^ Аб Сандберг, Андерс; Бостром, Ник (2008). «Эмуляция всего мозга: дорожная карта» (PDF) .
  10. ^ Чалфи М; Салстон Дж. Э.; Уайт Дж.Г.; Саутгейт Е ; Томсон Дж.Н.; и другие. (апрель 1985 г.). «Нейральная цепь сенсорной чувствительности у Caenorhabditis elegans». Журнал неврологии . 5 (4): 956–64. doi : 10.1523/JNEUROSCI.05-04-00956.1985. ПМК 6565008 . ПМИД  3981252. 
  11. ^ Нибур Э; Эрдеш П. (ноябрь 1993 г.). «Теория передвижения нематод: контроль соматических мотонейронов интернейронами». Математические биологические науки . 118 (1): 51–82. дои : 10.1016/0025-5564(93)90033-7. ПМИД  8260760.
  12. ^ Брайден, Дж.; Коэн, Н. (2004). Шааль, С.; Эйсперт, А.; Биллард, А.; Виджаякумар, С.; и другие. (ред.). Имитационная модель контроллеров локомоции нематоды Caenorhabditis elegans. От животных к аниматам 8: Материалы восьмой международной конференции по моделированию адаптивного поведения. стр. 183–92.
  13. ^ Марк Вакабаяши. Архивировано 12 мая 2013 г. в Wayback Machine со ссылками на программное обеспечение для моделирования MuCoW, демонстрационное видео и докторскую диссертацию «Вычислительная достоверность рецепторов растяжения как основа управления моторикой у C. elegans », 2006 г.
  14. ^ Мейллер, Р.; Эйвери, Дж.; Грейвс, Дж.; Вилли, Н. (7–13 марта 2010 г.). «Биологически точная 3D-модель передвижения Caenorhabditis Elegans». Международная конференция по биологическим наукам 2010 г. (PDF) . стр. 84–90. doi : 10.1109/BioSciencesWorld.2010.18. ISBN 978-1-4244-5929-2. S2CID  10341946. Архивировано из оригинала (PDF) 18 июля 2019 года . Проверено 14 октября 2015 г.
  15. ^ «Как сложное поведение спонтанно возникает в мозгу?» . Проверено 27 февраля 2018 г.
  16. ^ Арена, П.; Патане, Л.; Термини, PS; Вычислительная модель мозга насекомых, вдохновленная Drosophila melanogaster: результаты моделирования, Международная совместная конференция по нейронным сетям 2010 г. (IJCNN).
  17. ^ ab [1], Моделирование мозга плодовой мухи с открытым исходным кодом Neurokernel
  18. ^ «Хронология и достижения». ЭПФЛ . Архивировано из оригинала 11 апреля 2024 года . Проверено 10 мая 2024 г.
  19. ^ «Новости и информация для СМИ». Синий мозг . Архивировано из оригинала 19 сентября 2008 года . Проверено 11 августа 2008 г.
  20. ^ «Суперкомпьютер имитирует мозг мыши». Хаффингтон Пост . 28 марта 2008 года . Проверено 5 июня 2018 г.
  21. ^ Отчет об исследовании IBM IBM
  22. ^ «Мозг мыши, смоделированный на компьютере» . Новости BBC . 27 апреля 2007 г.
  23. ^ Анантанараянан, Раджагопал; Модха, Дхармендра С. (июль 2007 г.). «Масштабирование, стабильность и синхронизация в корковых симуляциях размером с мышь (и больше)». BMC Нейронаука . 8 (С2): P187. дои : 10.1186/1471-2202-8-S2-P187 . ПМЦ 4436247 . 
  24. ^ Анантанараянан, Раджагопал; Эссер, Стивен К.; Саймон, Хорст Д.; Модха, Дхармендра С. (14 ноября 2009 г.). «Кот вылез из мешка: корковые симуляции с 10 9 нейронами, 10 13 синапсами». Конференция по высокопроизводительным вычислительным сетям, хранению и анализу : 1–12. дои : 10.1145/1654059.1654124. S2CID  6110450.
  25. ^ «Мозг в компьютере: Чему я научился, моделируя мозг - Идан Сегев» . YouTube .
  26. ↑ Торнтон, Анджела (26 июня 2023 г.). «Как может стать возможной загрузка нашего разума в компьютер». Разговор . Проверено 8 ноября 2023 г.
  27. ↑ Херпер, Мэтью (6 июня 2005 г.). «IBM стремится моделировать мозг». Форбс . Архивировано из оригинала 8 июня 2005 года . Проверено 19 мая 2006 г.
  28. ↑ Геркулано-Хаузель, Сюзана (ноябрь 2009 г.). «Человеческий мозг в цифрах: мозг примата в линейном масштабе». Границы человеческой неврологии . 3:31 . doi : 10.3389/neuro.09.031.2009 . ПМК 2776484 . ПМИД  19915731. 
  29. ↑ Горман, Джеймс (26 мая 2014 г.). «Все каналы заняты». Нью-Йорк Таймс .
  30. ↑ Вичинанца, Доменико (18 декабря 2023 г.). «Новый суперкомпьютер призван точно имитировать человеческий мозг — он может помочь раскрыть тайны разума и усовершенствовать искусственный интеллект». Разговор . Проверено 29 марта 2024 г.
  31. ^ Зольфагарифард, Элли. «Первый в мире суперкомпьютер размером с человеческий мозг заработает в следующем году». Бизнес-инсайдер . Проверено 29 марта 2024 г.
  32. ^ «Крупнейшее на сегодняшний день моделирование нейронных сетей, достигнутое с использованием японского суперкомпьютера» . ScienceDaily . 2 августа 2013 года . Проверено 25 ноября 2020 г.
  33. ^ «Крупнейшее на сегодняшний день моделирование нейронных сетей, достигнутое с использованием японского суперкомпьютера» . Юлих Форшунгсцентрум . 2 августа 2013 года . Проверено 25 ноября 2020 г.
  34. ^ Холмгаард Мерш, Амалия (15 сентября 2023 г.). «Десятилетний европейский исследовательский проект составляет карту человеческого мозга». евроактив .
  35. ^ ab «Платформа моделирования мозга». Проект человеческого мозга . Проверено 20 января 2018 г.
  36. ^ "Элизия/Элизия". 8 ноября 2023 г. Проверено 22 ноября 2023 г. - через GitHub.
  37. ^ [2], симуляция мозга spaun2.0
  38. ^ Элиасмит, Крис; Стюарт, Терренс К.; Чу, Сюань; Беколай, Тревор; ДеВольф, Трэвис; Тан, Ичуань; Расмуссен, Дэниел (30 ноября 2012 г.). «Крупномасштабная модель функционирующего мозга». Наука . 338 (6111): 1202–1205. Бибкод : 2012Sci...338.1202E. дои : 10.1126/science.1225266. PMID  23197532. S2CID  1673514.