Het creëren van een virtueel brein klinkt misschien als een sciencefiction-nachtmerrie, maar voor neurowetenschappers in Japan en Seattle Allen Instituuthet is een grote stap in de richting van een lang gekoesterde droom.
Ze zeggen dat hun muis-cortex-simulatie doorgaat 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 naar het ontrafelen van de mysteries van het bewustzijn.
“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 dat deze week in St. Louis wordt gepresenteerd tijdens de SC25-conferentie over high-performance computing. De simulatie modelleert de activiteit van een hele muizencortex, die bijna 10 miljoen neuronen omvat die met elkaar verbonden zijn door 26 miljard synapsen.
Om de simulatie te maken, hebben onderzoekers gegevens van de Allen celtypendatabase en de 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 Neuliet bracht de gegevens tot leven als virtuele neuronen die met elkaar interageren als levende hersencellen.
Wetenschappers 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 compartimenten – honderden compartimenten per neuron”, zei Arkhipov in een reactie per e-mail 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 dat zulke zeer gedetailleerde simulaties (zelfs veel kleiner dan de onze) een factor duizenden malen langzamer zijn.”
De onderzoekers erkennen dat er nog veel meer werk nodig is om hun simulatie om te zetten in een model dat de voortgang 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 nog iets specifieks willen noemen, dan ontbreekt het ene aspect aan 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 onderscheid 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 misschien wel aankan. “Ons werk laat zien dat zeer gedetailleerde simulaties op microscopisch niveau van grotere hersenen mogelijk eerder mogelijk kunnen zijn dan eerder werd verwacht,” zei Arkhipov. “De resultaten suggereren dat een simulatie van het hele brein van een aap (zoals dat van een makaak met 6 miljard neuronen) past in het volledige Fugaku-systeem.”
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 op de schaal van het apenbrein, nu binnen handbereik zijn”, zei hij. “Maar om dergelijke simulaties biologisch realistisch te maken, zou er veel meer experimentele dataproductie en modelbouw nodig zijn.”
Rin Kuriyama en Kaaya Akira van de Universiteit voor Elektrocommunicatie in Tokio zijn de belangrijkste auteurs van het artikel gepresenteerd op SC25, getiteld “Microscopische muis-hele cortex-simulatie samengesteld uit 9 miljoen biofysische neuronen en 26 miljard synapsen op de supercomputer Fugaku.” Naast Arkhipov omvatten auteurs van het Allen Institute onder meer 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 Onderzoeksorganisatie voor Informatiewetenschappen en Technologie in Hyogo, Japan; Taira Kobayashi van de Yamaguchi Universiteit; en Jun Igarashi van het RIKEN Centrum voor Computationele Wetenschappen.
