Het creëren van een virtueel brein klinkt misschien als een sciencefiction-nachtmerrie, maar dan voor neurowetenschappers in Japan en Seattle Allen Instituuthet is een grote stap in de richting van een lang gekoesterde droom.
Ze zeggen dat hun muiscortex-simulatie, ga je gang een van de snelste supercomputers ter wereldzou uiteindelijk de weg kunnen openen naar het begrijpen van de mechanismen achter ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en epilepsie – en misschien wel de mysteries van het bewustzijn kunnen ontrafelen.
“Dit laat zien dat de deur open staat”, aldus onderzoeker van het Allen Institute Anton Archipov zei vandaag in a persbericht. “Het 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. De simulatie modelleert de activiteit van een volledige muizencortex, bestaande uit bijna 10 miljoen neuronen die met elkaar zijn verbonden door 26 miljard synapsen.
Om de simulatie te maken, hebben onderzoekers gegevens gevoed uit Allen celtypendatabase en dat Allen Connectiviteitsatlas in Supercomputer Fugaku, een computercluster ontwikkeld door Fujitsu en die van 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. Een simulatieprogramma genaamd Neolithicum bracht de gegevens tot leven als virtuele neuronen die met elkaar interageren als levende hersencellen.
Onderzoekers voerden het programma uit in verschillende scenario’s, waaronder een experiment waarbij de volledige Fugaku-configuratie werd gebruikt om de hele muizencortex te modelleren.
“In onze simulatie wordt elk neuron gemodelleerd als een grote boom van op elkaar inwerkende ruimtes – honderden ruimtes per neuron”, zei Arkhipov in een commentaar aan GeekWire. “Dat wil zeggen dat we een aantal subcellulaire structuren en dynamieken binnen elk neuron vastleggen.”
Tijdens de volledige simulatie duurde het niet meer dan 32 seconden om één seconde realtime activiteit in het brein 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 een factor duizenden keren langzamer te zien voor zulke zeer gedetailleerde simulaties (zelfs veel kleiner dan de onze).”
De onderzoekers erkennen dat er nog veel meer werk nodig is om hun simulatie om te zetten in een model dat de ontwikkeling van een neurologische ziekte kan volgen. Het model weerspiegelt bijvoorbeeld niet de plasticiteit van de hersenen, dat wil zeggen het vermogen van de hersenen om hun eigen verbindingen opnieuw te bedraden.
“Als we naast plasticiteit iets specifieks willen noemen, ontbreekt één aspect de effecten van neuromodulatoren, en het andere is dat we momenteel geen zeer gedetailleerde weergave hebben van sensorische input in onze hele cortex-simulaties”, zei Arkhipov. “Voor dit alles hebben we veel meer gegevens nodig dan momenteel beschikbaar zijn om veel betere modellen te maken, hoewel sommige benaderingen 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 een heel brein te simuleren, niet alleen de cortex. “Er is een verschil tussen de hele cortex en de hele hersenen”, benadrukte hij. “De muizencortex (en ons model ervan) bevat ongeveer 10 miljoen neuronen, terwijl het hele muizenbrein ongeveer 70 miljoen neuronen bevat.”
Een mens-hersensimulatie zou een nog grotere sprong vergen. Alleen al de menselijke cortex bevat niet slechts 10 miljoen neuronen, maar 21 miljard.
Het goede nieuws is dat een voldoende krachtige supercomputer deze taak aankan. “Ons werk laat zien dat zeer gedetailleerde simulaties op microscopisch niveau van grotere hersenen mogelijk sneller mogelijk zijn dan eerder werd verwacht”, aldus Arkhipov. “De resultaten suggereren dat een simulatie van het hele brein van een aap (zoals een makaak met 6 miljard neuronen) in het volledige Fugaku-systeem kan passen.”
Arkhipov zei dat het belangrijk was om erop te wijzen dat het creëren van een hersenmodel op een supercomputer “niet betekent dat zo’n model compleet of accuraat is.”
“Hier hebben we het over de technische haalbaarheid van simulaties, en het lijkt erop dat dergelijke simulaties, zelfs ter grootte van de hersenen van apen, nu binnen handbereik zijn”, zei hij. “Om dergelijke simulaties biologisch realistisch te maken, moet er echter nog veel meer experimentele dataproductie en modelbouw plaatsvinden.”
Rin Kuriyama en Kaaya Akira van de Universiteit voor Elektrocommunicatie in Tokio zijn de hoofdauteurs van het artikel gepresenteerd op SC25, getiteld “Microscopische muis-cortex-simulatie 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. De andere auteurs van de studie zijn Tadashi Yamazaki en Mari Iura van de Universiteit voor Elektrocommunicatie; 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.
