Het creëren van een virtueel brein klinkt misschien als een sciencefiction-nachtmerrie, maar voor neurowetenschappers in Japan en Seattle Allen Instituutdit is een grote stap in de richting van een langgekoesterde droom.
Ze zeggen dat hun muiscortex-simulatie blijft draaien een van de snelste supercomputers ter wereldzou uiteindelijk de weg kunnen effenen voor het begrijpen van de mechanismen achter ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en epilepsie – en misschien wel de mysteries van het bewustzijn ontsluiten.
“Dit suggereert dat de deur open staat”, aldus onderzoekers van het Allen Institute Anton Archipov zei vandaag in a persbericht. “Dit is een technische mijlpaal die ons het vertrouwen geeft dat veel grotere modellen niet alleen mogelijk zijn, maar ook haalbaar met precisie en schaal.”
Arkhipov en zijn collega’s beschrijven het project in een onderzoekspaper deze week gepresenteerd in St. Louis tijdens SC25-conferentie over high-performance computing. Deze simulatie modelleert de activiteit van de gehele muiscortex, die bijna 10 miljoen neuronen omvat die met elkaar verbonden zijn door 26 miljard synapsen.
Om een simulatie te maken, voeren onderzoekers gegevens in van Allen Celtype-database en het Allen’s Atlas van Connectiviteit werd de Fugaku Supercomputer, een computercluster ontwikkeld door Fujitsu en Japan RIKEN Centrum voor Computationele Wetenschappen. Fugaku kan meer dan 400 biljard operaties per seconde uitvoeren, oftewel 400 petaflops.
De enorme dataset werd met behulp van het Allen Institute vertaald naar een 3D-model Toolkit voor hersenmodellering. Er wordt een simulatieprogramma aangeroepen Neulit gegevens tot leven brengen als virtuele neuronen die met elkaar interageren als levende hersencellen.
De wetenschappers voerden het programma uit in verschillende scenario’s, waaronder experimenten waarbij een volledige Fugaku-configuratie werd gebruikt om de gehele muizencortex te modelleren.
“In onze simulaties wordt elk neuron gemodelleerd als een grote boom met op elkaar inwerkende compartimenten – honderden compartimenten per neuron”, zei Arkhipov in een reactie per e-mail aan GeekWire. Dit betekent dat we een deel van de subcellulaire structuur en dynamiek binnen elk neuron vastleggen.
Tijdens grootschalige simulaties duurde het niet meer dan 32 seconden om één seconde realtime activiteit in de hersenen van een levende muis te simuleren. “Dit prestatieniveau – 32 keer langzamer dan realtime – is behoorlijk indrukwekkend voor een systeem van deze omvang en complexiteit”, aldus Arkhipov. “Het is niet ongebruikelijk om factoren te zien die duizenden keren langzamer zijn voor zeer gedetailleerde simulaties (zelfs veel kleiner dan onze simulaties).”
De onderzoekers erkennen dat er meer werk nodig is om hun simulaties om te zetten in modellen die de progressie van neurologische aandoeningen kunnen volgen. Het model weerspiegelt bijvoorbeeld niet de plasticiteit van de hersenen, dat wil zeggen het vermogen van de hersenen om hun eigen verbindingen te herstellen.
“Als we iets specifieks willen noemen, anders dan plasticiteit, dan ontbreekt een aspect het effect van neuromodulatoren, en een ander aspect is dat we momenteel geen zeer gedetailleerde weergave hebben van sensorische input in onze hele cortexsimulaties,” zei Arkhipov. “Voor dit alles hebben we meer gegevens nodig dan momenteel beschikbaar zijn om betere modellen te bouwen, hoewel sommige schattingen of hypothesen kunnen worden geïmplementeerd en getest nu we een werkende simulatie van de hele cortex hebben.”
Arkhipov zei dat het langetermijndoel van het project is om het hele brein te simuleren, niet alleen de cortex. “Er is een verschil tussen de hele cortex en de hele hersenen”, legt hij uit. “De muizencortex (en ons model) bevat ongeveer 10 miljoen neuronen, terwijl het hele muizenbrein ongeveer 70 miljoen neuronen bevat.”
Voor het simuleren van het menselijk brein zijn nog grotere sprongen nodig. Alleen al de menselijke cortex bevat niet alleen 10 miljoen neuronen, maar 21 miljard.
Het goede nieuws is dat een supercomputer die krachtig genoeg is, daartoe in staat zou kunnen zijn. “Ons werk laat zien dat zeer gedetailleerde simulaties op microscopisch niveau van grotere hersenen mogelijk sneller mogelijk zijn dan eerder werd gedacht,” zei Arkhipov. “De resultaten laten zien dat het simuleren van de hersenen van een hele aap (zoals die van een makaak met 6 miljard neuronen) kan worden ondergebracht in een volledig Fugaku-systeem.”
Arkhipov zei dat het belangrijk was om erop te wijzen dat het modelleren van de hersenen op een supercomputer “niet betekent dat het model compleet of accuraat is.”
“Hier hebben we het over de technische haalbaarheid van simulatie, en het lijkt erop dat een dergelijke simulatie, zelfs op de schaal van apenhersenen, nu binnen handbereik ligt”, zei hij. “Maar om dergelijke simulaties biologisch realistisch te maken, zal er meer experimentele dataproductie en modelbouw nodig zijn.”
Rin Kuriyama en Kaaya Akira van de Electro-Communications Universiteit in Tokio zijn hoofdauteurs van een paper gepresenteerd op SC25, getiteld “Simulatie op microscopisch niveau van een hele muiscortex bestaande uit 9 miljoen biofysische neuronen en 26 miljard synapsen op de Fugaku-supercomputer.” Naast Arkhipov omvatten auteurs van het Allen Institute ook Laura Green, Beatriz Herrera en Kael Dai. Andere auteurs van het onderzoek zijn Tadashi Yamazaki en Mari Iura van de University of Electro-Communications; Gilles Gouaillardet en Asako Terasawa van de Information Science and Technology Research Organization in Hyogo, Japan; Taira Kobayashi van de Yamaguchi Universiteit; en Jun Igarashi van het RIKEN Centrum voor Computationele Wetenschappen.
