Моделирование мозга - Brain simulation

Моделирование мозга или же эмуляция всего мозга концепция создания функционирующей компьютерная модель головного мозга или части мозга.[1] Моделирование мозга (или подсистемы мозга) включает моделирование электрических и основных химических свойств нейронов (например, внеклеточных серотонин градиенты). Модель нейронной коннектом целевого организма также требуется. Коннектом чрезвычайно сложен, и его подробное подключение еще не изучено; таким образом, в настоящее время это моделируется эмпирически на более мелких млекопитающих в рамках таких проектов, как Проект Голубой мозг.

Проект Blue Brain Project намерен создать компьютерную симуляцию млекопитающего. кортикальный столб вплоть до молекулярного уровня.[2] По некоторым оценкам, полная реконструкция коннектома человека с использованием методологии проекта Blue Brain Project потребует зеттабайт хранения данных. В 2013, Проект человеческого мозга создал платформу моделирования мозга (BSP), которая представляет собой доступную в Интернете платформу для совместной работы, предназначенную для моделирования моделей мозга. Проект "Человеческий мозг" использовал методы, использованные в проекте "Голубой мозг", и опирался на них.[3]

Проекты моделирования мозга призваны способствовать полному пониманию работы мозга и, в конечном итоге, способствовать процессу лечения и диагностики. болезни мозга.[4][5]

Caenorhabditis elegans (аскариды)

Карта мозга из C. elegans аскариды 302 нейрона, связанных между собой 5000 синапсов

Возможность подключения нейронной цепи для сенсорной чувствительности простого C. elegans нематода (аскарида) была нанесена на карту в 1985 г.[6] и частично смоделирована в 1993 году.[7] С 2004 года было разработано множество программных симуляторов всей нервной и мышечной системы, включая симуляцию физической среды червя. Некоторые из этих моделей доступны для загрузки.[8][9] Однако до сих пор отсутствует понимание того, как нейроны и связи между ними генерируют удивительно сложный диапазон поведения, наблюдаемый в относительно простом организме.[10][11] Этот контраст между кажущейся простотой того, как отображенные нейроны взаимодействуют со своими соседями, и чрезмерной сложностью общей функции мозга, является примером возникающая собственность. [12] Этот вид эмерджентного свойства имеет параллели внутри искусственные нейронные сети, нейроны которых чрезвычайно просты по сравнению с их часто сложными абстрактными выходами.

Нервная система дрозофилы

Дальнейшая информация: Мозг насекомого

Мозг плодовой мушки, Дрозофила, также был тщательно изучен. Смоделированная модель мозга плодовой мушки предлагает уникальную модель родственных нейронов.[13]

Картирование и моделирование мозга мыши

Генри Маркрам сопоставил типы нейронов в пределах мозг мыши и их связи между 1995 и 2005 годами.[нужна цитата ]

В декабре 2006 г.[14] в Синий мозг проект завершил моделирование крысы неокортикальный столб. Колонка неокортекса считается наименьшей функциональной единицей неокортекс. Неокортекс - это часть мозга, которая, как считается, отвечает за функции высшего порядка, такие как сознательное мышление, и содержит 10000 нейронов в мозгу крысы (и 108 синапсы ). В ноябре 2007 г.[15] Проект сообщил о завершении своей первой фазы, предоставив управляемый данными процесс создания, проверки и исследования неокортикальной колонки.

An искусственная нейронная сеть описывается как «такой же большой и сложный, как половина мозга мыши»[16] был запущен на IBM Синий ген суперкомпьютера исследовательской группой Университета Невады в 2007 году. Каждая секунда смоделированного времени занимала десять секунд компьютерного времени. Исследователи утверждали, что наблюдали «биологически непротиворечивые» нервные импульсы, проходящие через виртуальную кору. Однако в моделировании отсутствовали структуры, наблюдаемые в мозге реальных мышей, и они призваны повысить точность моделей нейронов и синапсов.[17]

Голубой мозг и крыса

Синий мозг это проект, который был запущен в мае 2005 г. IBM и Швейцарский федеральный технологический институт в Лозанна. Целью проекта было создание компьютерное моделирование коркового столба млекопитающих до молекулярного уровня.[2] В проекте используется суперкомпьютер на основе IBM Синий ген дизайн для моделирования электрического поведения нейронов на основе их синаптической связи и ионной проницаемости. Проект направлен на то, чтобы в конечном итоге раскрыть понимание человеческого познания и различных психических расстройств, вызванных неисправными нейронами, такими как аутизм и понять, как фармакологические агенты влияют на поведение сети.

K компьютер и человеческий мозг

В конце 2013 г. исследователи из Японии и Германии использовали K компьютер, затем четвертый по скорости суперкомпьютер, а программа моделирования ГНЕЗДО для моделирования 1% человеческого мозга. Моделирование моделировало сеть, состоящую из 1,73 миллиарда нервных клеток, соединенных 10,4 триллионами синапсов. Чтобы осуществить этот подвиг, программа задействовала 82944 процессора K Computer. Процесс занял 40 минут, чтобы завершить симуляцию 1 секунды активности нейронной сети в реальном, биологическом времени.[18][19]

Проект человеческого мозга

В Проект человеческого мозга (HBP) - это 10-летняя программа исследований, финансируемая Евросоюз. Он начал свою работу в 2013 году, и в нем работают около 500 ученых со всей Европы. Он включает 6 платформ:

Платформа моделирования мозга (BSP) - это устройство для инструментов, доступных в Интернете, которое позволяет проводить исследования, которые невозможны в лаборатории. Они применяют методы синего мозга к другим областям мозга, таким как мозжечок, гиппокамп, а базальный ганглий.[20]

Моделирование мозга с открытым исходным кодом

Модели мозга были выпущены как Программное обеспечение с открытым исходным кодом (OSS) и доступны на таких сайтах, как GitHub. К ним относятся C. elegans аскариды[9] в Дрозофила плодовая муха[21] и модели человеческого мозга Elysia[22] и Spaun,[23] который основан на НЕНГО архитектура программного обеспечения и является крупнейшей в мире функциональной моделью мозга.[24]

Витрина проекта Blue Brain показывает, как модели и данные Проект Голубой мозг можно преобразовать в NeuroML и PyNN (Python модели нейронных сетей).[25]

Рекомендации

  1. ^ Фан, Сюэ; Маркрам, Генри (2019). «Краткая история симуляционной нейробиологии». Границы нейроинформатики. 13: 32. Дои:10.3389 / fninf.2019.00032. ISSN  1662-5196. ЧВК  6513977. PMID  31133838.
  2. ^ а б Херпер, Мэтью (6 июня 2005 г.). «IBM стремится имитировать мозг». Forbes. Получено 2006-05-19.
  3. ^ Проект человеческого мозга, Рамочное соглашение о партнерстве https://www.humanbrainproject.eu/documents/10180/538356/FPA++Annex+1+Part+B/41c4da2e-0e69-4295-8e98-3484677d661f В архиве 2017-02-02 в Wayback Machine
  4. ^ "Нейроинформатика и проект" Голубой мозг ". Информатика из технологических сетей. Получено 2018-01-30.
  5. ^ Коломбо, М. (2017). Зачем создавать виртуальный мозг? Крупномасштабное нейронное моделирование как толчок для когнитивных вычислений. Журнал экспериментального и теоретического искусственного интеллекта, 29, 361-370. doi: https://doi.org/10.1080/0952813X.2016.1148076
  6. ^ Chalfie M; Sulston JE; Белый JG; Саутгейт E; Томсон Дж. Н.; и другие. (Апрель 1985 г.). «Нейронная цепь сенсорной чувствительности у Caenorhabditis elegans». Журнал неврологии. 5 (4): 956–64. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.05-04-00956.1985. ЧВК  6565008. PMID  3981252.
  7. ^ Niebur E; Эрдеш П. (ноябрь 1993 г.). «Теория передвижения нематод: управление соматическими мотонейронами интернейронами». Математические биологические науки. 118 (1): 51–82. Дои:10.1016/0025-5564(93)90033-7. PMID  8260760.
  8. ^ Bryden, J .; Коэн, Н. (2004). Schaal, S .; Ijspeert, A .; Billard, A .; Vijayakumar, S .; и другие. (ред.). Имитационная модель регуляторов движения нематододы Caenorhabditis elegans. От животных к аниматам 8: Материалы восьмой международной конференции по моделированию адаптивного поведения. С. 183–92.
  9. ^ а б Моделирование C. Elegans, Проект программного обеспечения с открытым исходным кодом на Github
  10. ^ Марк Вакабаяши В архиве 12 мая 2013 г. Wayback Machine, со ссылками на программное обеспечение для моделирования MuCoW, демонстрационное видео и докторскую диссертацию «Вычислительная достоверность рецепторов растяжения как основа для управления двигателем в C. elegans, 2006.
  11. ^ Mailler, R .; Avery, J .; Graves, J .; Вилли, Н. (7–13 марта 2010 г.). «Биологически точная трехмерная модель передвижения Caenorhabditis elegans». 2010 Международная конференция по бионаукам (PDF). С. 84–90. Дои:10.1109 / BioSciencesWorld.2010.18. ISBN  978-1-4244-5929-2. S2CID  10341946.
  12. ^ «Как сложное поведение спонтанно возникает в мозгу?». Получено 2018-02-27.
  13. ^ Арена, П .; Patane, L .; Термини, П.С.; Вычислительная модель мозга насекомого, вдохновленная Drosophila melanogaster: результаты моделирования, Международная совместная конференция по нейронным сетям 2010 г. (IJCNN).
  14. ^ "Основные этапы проекта". Синий мозг. Получено 2008-08-11.
  15. ^ «Новости и СМИ». Синий мозг. Архивировано из оригинал на 2008-09-19. Получено 2008-08-11.
  16. ^ "Суперкомпьютер имитирует мозг мыши". Huffington Post. 2008-03-28. Получено 2018-06-05.
  17. ^ «Мозг мыши смоделирован на компьютере». Новости BBC. 27 апреля 2007 г.
  18. ^ «Крупнейшее на сегодняшний день моделирование нейронных сетей, выполненное с использованием японского суперкомпьютера». ScienceDaily. 2 августа 2013 г.. Получено 2020-11-25.
  19. ^ «Крупнейшее на сегодняшний день моделирование нейронных сетей, выполненное с использованием японского суперкомпьютера». Jülich Forschungszentrum. 2 августа 2013 г.. Получено 2020-11-25.
  20. ^ «Платформа моделирования мозга». Проект человеческого мозга. Получено 20 января 2018.
  21. ^ [1], Neurokernel: моделирование мозга плодовой мушки с открытым исходным кодом
  22. ^ Элизия
  23. ^ [2], имитация мозга spaun2.0
  24. ^ Элиасмит К., Стюарт Т. К., Чу Х., Беколай Т., ДеВольф Т., Танг Й., Расмуссен Д. (2012). Масштабная модель функционирующего мозга. Наука. Vol. 338 нет. 6111 с. 1202-1205. DOI: 10.1126 / science.1225266.
  25. ^ «Обзор - Витрина проекта Blue Brain - Мозг с открытым исходным кодом». Мозг с открытым исходным кодом. Получено 5 мая, 2020.