211service.com
Funkční model mozku
Ambiciózní projekt na vytvoření přesného počítačového modelu mozku dosáhl působivého milníku. Vědci ve Švýcarsku ve spolupráci s výzkumníky IBM prokázali, že jejich počítačová simulace neokortikálního sloupce, pravděpodobně nejsložitější části mozku savce, se chová jako jeho biologický protějšek. Tím, že demonstrují, že jejich simulace je realistická, říkají vědci, tyto výsledky naznačují, že celý mozek savce by mohl být kompletně modelován do tří let a lidský mozek během příští dekády.
Síla mozku: Toto znázornění ukazuje konektivitu 10 000 neuronů a 30 milionů spojení, které tvoří jeden neokortikální sloupec. (Různé barvy odpovídají různým úrovním elektrické aktivity.) Po vytvoření biologicky přesného počítačového modelu neokortikálního sloupu vědci nyní plánují modelovat celý lidský mozek během pouhých 10 let.
To, co děláme, je zpětné inženýrství mozku, říká Henry Markram , spoluředitel Brain Mind Institute na Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ve Švýcarsku, který vedl práci, tzv. Modrý mozek projekt, který začal v roce 2005. (Viz IBM: Počítačový mozek.) Napodobením chování mozku až po jednotlivé neurony se výzkumníci snaží vytvořit modelovací nástroj, který mohou neurovědci používat k provádění experimentů, testování hypotéz, a analyzovat účinky drog efektivněji, než by mohli s použitím skutečné mozkové tkáně.
Model části mozku byl dokončen loni, říká Markram. Ale nyní, po rozsáhlém testování porovnávajícím jeho chování s výsledky biologických experimentů, je spokojen s tím, že simulace je dostatečně přesná, aby vědci mohli pokračovat se zbytkem mozku.
Je to úžasná práce, říká Thomas Serre , výzkumník v oblasti výpočetní neurovědy na MIT. To bude mít pravděpodobně obrovský dopad na neurovědu.
Projekt začal s původním cílem modelovat 10 000 neuronů a 30 milionů synaptických spojení, které tvoří neokortikální sloupec potkana, hlavní stavební blok kůry savců. Neokortikální sloupec byl vybrán jako výchozí bod, protože je široce uznáván jako zvláště složitý s heterogenní strukturou sestávající z mnoha různých typů synapsí a iontových kanálů. Nemá smysl snít o modelování mozku, pokud nemůžete modelovat jeho malou část, říká Markram.
Samotný model je založen na 15 letech experimentálních dat o neuronální morfologii, genové expresi, iontových kanálech, synaptické konektivitě a elektrofyziologických záznamech neokortikálních sloupců krys. Poté byly vyvinuty softwarové nástroje ke zpracování těchto informací a automatické rekonstrukci fyziologicky přesných 3D modelů neuronů a jejich propojení.
Spojit tečky: Reprezentace savčího neokortikálního sloupce, základního stavebního kamene kůry. Znázornění ukazuje složitost této části mozku, která byla nyní modelována pomocí superpočítače.
Kredit: GDP/EPFL
Neuronové obvody byly testovány simulací specifických vstupních podnětů a sledováním toho, jak se obvody chovaly ve srovnání s obvody v biologických experimentech. Tam, kde se objevily mezery ve znalostech o tom, jak se měly určité části modelu chovat, se vědci vrátili do laboratoře a provedli experimenty, aby identifikovali druhy chování, které je třeba reprodukovat. Ve skutečnosti se asi třetina týmu 35 výzkumníků věnovala provádění takových experimentů, říká Markram.
Prostřednictvím iterativního procesu testování byla simulace postupně vylepšována do bodu, kdy je Markram přesvědčen, že se chová jako skutečný neokortikální sloup.
Žádný z těchto výsledků však dosud nebyl publikován v recenzované literatuře, říká Christof Koch , profesor biologie a inženýrství na Caltech. A toto není zdaleka první počítačový model mozku, zdůrazňuje. Toto je spíše evoluční než revoluční proces, říká. Již v roce 1989 vytvořil Koch simulaci 10 000 neuronů, i když v mnohem jednodušším modelu.
Kromě toho je Koch skeptický ohledně toho, jak rychle může model mozku postupovat. Jakákoli tvrzení, že lidský mozek lze vymodelovat do 10 let, jsou tak směšná, že nestojí za diskuzi, říká.
Mozky krys mají asi 200 milionů neuronů, zatímco lidské mozky mají v oblasti 50 až 100 miliard neuronů. To je velké měřítko, připouští Markram.
Je však přesvědčen, že jeho model je dostatečně robustní, aby mohl být rozšiřován donekonečna. A co víc, věří, že úroveň detailů modelu lze posunout dále. Je to v docela vysokém rozlišení, říká. Je to stále na buněčné úrovni, ale my se chceme podívat na molekulární úroveň. To by umožnilo provádět testování léků na základě simulace tím, že by se ukázalo, jak specifické molekuly ovlivňují proteiny, receptory a enzymy.
Nepřekvapilo by mě, kdyby to dokázali, říká Serre. Není však jasné, co by z toho mohli mít, říká. Pokud chcete, aby byl tento model užitečný, musíte být schopni porozumět tomu, jak chování souvisí s konkrétními mozkovými funkcemi. Zatím není jasné, že to projekt Blue Brain udělal, říká.