قد يبدو إنشاء دماغ افتراضي بمثابة كابوس من الخيال العلمي، ولكن بالنسبة لعلماء الأعصاب في اليابان وسياتل معهد ألينهذه خطوة كبيرة نحو حلم طال انتظاره.
يقولون أن محاكاة قشرة الفأر الخاصة بهم تعمل أحد أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالموهذا يمكن أن يفتح الطريق في نهاية المطاف لفهم الآليات الكامنة وراء أمراض مثل مرض الزهايمر والصرع – وربما يكشف أسرار الوعي.
“وهذا يدل على أن الباب مفتوح،” محققو معهد ألين انطون ارخيبوف وقال في واحد اليوم بيان صحفي“هذا إنجاز تكنولوجي يمنحنا الثقة في أن النماذج الأكبر حجمًا ليست ممكنة فحسب، بل يمكن تحقيقها بدقة وعلى نطاق واسع.”
يصف أرخيبوف وزملاؤه المشروع بأنه سيتم تقديم الورقة البحثية هذا الأسبوع في سانت لويس خلال مؤتمر SC25 للحوسبة عالية الأداءوتمثل المحاكاة نشاط قشرة الفأر بأكملها، والتي تتكون من حوالي 10 ملايين خلية عصبية متصلة بواسطة 26 مليار مشبك عصبي،
ولإنشاء عمليات محاكاة، قام الباحثون بتغذية البيانات قاعدة بيانات نوع خلية ألين وهذا أطلس اتصال ألين في الكمبيوتر العملاق Fugaku، تم تطوير مجموعة حاسوبية فوجيتسو واليابان مركز RIKEN للعلوم الحاسوبية، فوجاكو قادر على تنفيذ 400 كوادريليون عملية في الثانية، أو 400 بيتافلوب،
تمت ترجمة مجموعة البيانات الضخمة إلى نماذج ثلاثية الأبعاد باستخدام معهد ألين مجموعة أدوات نمذجة الدماغ، يسمى برنامج المحاكاة com.newlight تم جلب البيانات إلى الحياة كخلايا عصبية افتراضية تتفاعل مع بعضها البعض مثل خلايا الدماغ الحية.
أجرى العلماء البرنامج في مجموعة متنوعة من السيناريوهات، بما في ذلك تجربة استخدمت تكوين فوجاكو واسع النطاق لنمذجة قشرة الفأر بأكملها.
وقال أرخيبوف في تعليقات أرسلها عبر البريد الإلكتروني إلى GeekWire: “في عمليات المحاكاة لدينا، تم تصميم كل خلية عصبية على شكل شجرة كبيرة من الأجزاء المتفاعلة – مئات الأجزاء لكل خلية عصبية”. “أي أننا نلتقط بعض الهياكل والديناميكيات تحت الخلوية داخل كل خلية عصبية.”
أثناء المحاكاة واسعة النطاق، لم يستغرق الأمر أكثر من 32 ثانية لمحاكاة ثانية واحدة من النشاط في الوقت الحقيقي في دماغ فأر حي. وقال أرخيبوف: “هذا المستوى من الأداء – أبطأ 32 مرة من الوقت الفعلي – مثير للإعجاب للغاية بالنسبة لنظام بهذا الحجم والتعقيد”. “ليس من غير المعتاد رؤية عامل بطء يصل إلى آلاف المرات لعمليات محاكاة مفصلة للغاية مثل هذه (حتى أصغر بكثير من عملياتنا).”
ويقر الباحثون بأن هناك حاجة إلى المزيد من العمل لتحويل عمليات المحاكاة الخاصة بهم إلى نموذج قادر على اكتشاف تطور المرض العصبي. على سبيل المثال، لا يعكس النموذج مرونة الدماغ، أي قدرة الدماغ على إعادة توصيل اتصالاته الخاصة.
قال أركيبوف: “إذا أردنا أن نذكر شيئًا محددًا إلى جانب اللدونة، فإن أحد الجوانب المفقودة هو تأثير المعدلات العصبية، والجانب الآخر هو أن عمليات محاكاة القشرة الدماغية بأكملها حاليًا لا تحتوي على تمثيل مفصل للغاية للمدخلات الحسية”. “لكل هذا، نحتاج إلى بيانات أكثر بكثير مما هو متاح حاليًا لبناء نماذج أفضل، على الرغم من أن بعض الفرضيات أو الفرضيات يمكن تنفيذها واختبارها الآن بعد أن أصبح لدينا محاكاة كاملة للقشرة الدماغية.”
وقال أرخيبوف إن الهدف طويل المدى للمشروع هو محاكاة الدماغ بأكمله، وليس القشرة فقط. وأوضح: “هناك فرق بين القشرة الكاملة والدماغ الكامل”. “تحتوي قشرة الفأر (ونموذجنا منها) على حوالي 10 ملايين خلية عصبية، في حين يحتوي دماغ الفأر بأكمله على حوالي 70 مليون خلية عصبية.”
سوف تتطلب محاكاة الدماغ البشري قفزات أكبر إلى الأمام. القشرة البشرية وحدها لا تحتوي على 10 مليون خلية عصبية فحسب، بل 21 عربي,
والخبر السار هو أن الكمبيوتر العملاق القوي بما فيه الكفاية يمكنه إنجاز هذه المهمة. وقال أرخيبوف: “يُظهر عملنا أن عمليات المحاكاة التفصيلية الدقيقة للغاية للأدمغة الكبيرة قد تكون ممكنة في وقت أقرب مما كان يعتقد سابقًا”. “تظهر النتائج أن محاكاة دماغ قرد كامل (مثل قرد المكاك الذي يحتوي على 6 مليارات خلية عصبية) يمكن أن يتناسب مع نظام فوجاكو واسع النطاق.”
وقال أرخيبوف إنه من المهم الإشارة إلى أن بناء نموذج الدماغ على جهاز كمبيوتر فائق السرعة لا يعني أن مثل هذا النموذج كامل أو دقيق.
وقال “نحن هنا نتحدث عن الجدوى الفنية لعمليات المحاكاة، ويبدو أن مثل هذه المحاكاة، حتى على نطاق دماغ القرد، أصبحت الآن في متناول اليد”. “ولكن لجعل مثل هذه المحاكاة واقعية من الناحية البيولوجية، يجب القيام بالمزيد من أعمال توليد البيانات التجريبية وبناء النماذج.”
رين كورياما وكايا أكيرا من جامعة الاتصالات الكهربائية في طوكيو هما المؤلفان الرئيسيان للورقة المقدمة في SC25، بعنوان “محاكاة كاملة لقشرة الفأر على المستوى المجهري تتكون من 9 ملايين خلية عصبية فيزيائية حيوية و26 مليار نقطة اشتباك عصبي على الكمبيوتر العملاق فوجاكو.” بالإضافة إلى أرخيبوف، يضم مؤلفو معهد ألين لورا جرين، وبياتريس هيريرا، وكيل داي. المؤلفون الآخرون للدراسة هم تاداشي يامازاكي وماري إيورا من جامعة الاتصالات الكهربائية؛ جيل جويارديت وأساكو تيراساوا من منظمة أبحاث علوم وتكنولوجيا المعلومات في هيوغو، اليابان؛ تايرا كوباياشي من جامعة ياماغوتشي؛ وجون إيغاراشي من مركز RIKEN للعلوم الحاسوبية.
