Нейробиологи создают искусственную клеточную модель мозга

Швейцарские нейробиологи вместе со специалистами компании IBM завершили первую стадию проекта Blue Brain, целью которого является моделирование деятельности всего человеческого мозга на клеточном, а возможно, и молекулярном уровне.

К настоящему времени ученым удалось создать действующую, биологически точную трехмерную модель одной колонки неокортекса крысы на клеточном уровне. Колонка имеет диаметр 0,5 миллиметров и высоту 2 миллиметра, состоит из 10 тысяч нейронов, имеющих 108 синапсов. Все клетки и синапсы модели расположены в точно определенных локациях. Созданная модель базируется на данных о строении и функционировании клеток неокортекса, полученных участником проекта, нейробиологом Генри Маркрамом.

Проект Blue Brain был запущен в 2005 году в Институте мозга Политехнической школы Лозанны. В моделировании задействованы суперкомпьютер Blue Gene с 8192 процессорами, информация между которыми передается с помощью технологии MPI (Message Passing Interface); программа-симулятор Neocortical Simulator (NCS), разработанная Филом Гудманом и программа NEURON, созданная Майклом Хайнесом. Сейчас время симуляции работы колонки неокортекса на 2 порядка превышает реальное биологическое время процессов, но ученые надеются добиться их синхронизации.

Модель может служить инструментом оценки экспериментальных данных и гипотез о функционировании нейронов и их цепей. К настоящему времени ученые разработали методику автоматизированного анализа точности и полноты созданной модели, а также технологию автоматической конструкции таких моделей из биологических данных. Это значит, что в будущем, с увеличением вычислительных мощностей, ученые смогут моделировать работу более обширных участков неокортекса мозга млекопитающих.

Человеческий мозг содержит приблизительно 10 в 11-й степени нейронов и 10 в 14-й степени синапсов. Несмотря на гораздо более медленное выполнение одной команды по сравнению с компьютером, мозг выполняет некоторые операции в тысячи раз быстрее, т.к. его нейроны и синапсы действуют совместно. Эта особенность мозга увеличивает сложность моделирования его работы.

Неокортекс человека содержит несколько миллионов колонок, каждая из которых состоит из большего числа нейронов, чем в описываемой модели (от десятков тысяч до 100 миллионов по сравнению с 10 тысячами в модели). Причем потребность в вычислительных мощностях, требуемых для моделирования работы всего мозга человека, вырастет не пропорционально увеличению числа нейронов, а на гораздо большую величину.

Еще одной целью участников проекта, пока также недостижимой из-за ограниченности современных вычислительных возможностей, является моделирование работы неокортекса на молекулярном уровне. Это позволило бы детально изучать эффект экспрессии генов на деятельность мозга.