רותמים את השריר של אחד ממחשבי העל המהירים בעולם, החוקרים בנו את אחת הדמיות המוח הגדולות והמפורטות ביותר מבחינה ביו-פיזית ריאליסטית של חיה אי פעם. עותק וירטואלי זה של קליפת עכבר שלמה מאפשר לחוקרים לחקור את המוח בדרך חדשה: הדמיית מחלות כמו אלצהיימר או אפילפסיה בעולם הווירטואלי כדי לראות בפירוט כיצד הנזק מתפשט ברחבי רשתות עצביות או הבנת קוגניציה ותודעה. הוא מדמה גם צורה וגם תפקוד, עם כמעט עשרה מיליון נוירונים, 26 מיליארד סינפסות ו-86 אזורי מוח מחוברים זה לזה.
ההישג המרהיב הזה הוא תוצרו של מחשב העל פוגאקו, מחשב העל היפני, שיכול למחץ נתונים מהר יותר ממה שאנחנו יכולים למצמץ, עם קוודריליונים של חישובים בשנייה. מדענים במכון אלן וטדאשי ימאזאקי, Ph.D., מאוניברסיטת יפן לאלקטרו-תקשורת, יחד עם שלושה ארגונים יפניים נוספים, הובילו את הפרויקט. מאמר צפוי לחשוף את ההישג ב-SC25, ועידת מחשוב העל המובילה בעולם המתקיימת באמצע נובמבר.
מדענים יכולים להשתמש במודל קליפת העכבר הזה כדי לשאול שאלות מפורטות על מה קורה במחלה, איך גלי מוח מעצבים את המיקוד, או איך ההתקפים מתפשטים במוח, ואז לבדוק את ההשערות שלהם. לפני כן, ניתן היה לשאול את השאלות הללו רק באמצעות רקמת מוח אמיתית ניסוי אחד בכל פעם. כעת, חוקרים יכולים לבדוק השערות באופן וירטואלי. סימולציות אלו עשויות לסייע במציאת תשובות להפרעות מוחיות, לחשוף כיצד הבעיות מתחילות לפני הופעת התסמינים, ולאפשר לחוקרים לבדוק טיפולים או טיפולים חדשים בבטחה בסביבה דיגיטלית.
"זה מראה שהדלת פתוחה. אנחנו יכולים להפעיל סוגים כאלה של הדמיות מוח ביעילות עם מספיק כוח מחשוב", אמר אנטון ארקיפוב, Ph.D., חוקר במכון אלן שעבד על הפרויקט. "זוהי אבן דרך טכנית שנותנת לנו ביטחון שדגמים גדולים בהרבה הם לא רק אפשריים, אלא גם ניתנים להשגה בדייקנות ובקנה מידה."
שיתוף הפעולה הגלובלי הזה ממזג מומחיות במדעי המוח האנושי עם כוח המחשוב המדהים של מכונה. מכון אלן סיפק את השרטוט של המוח הווירטואלי והמאפיינים הביו-פיזיקליים באמצעות נתונים אמיתיים ממסד הנתונים של סוגי התא של אלן ומ-Allen Connectivity Atlas ו-Fugaku היפנית הביאו את הנתונים לחיים.
כיצד יצרו חוקרים את כל הדמיית הקורטקס
Fugaku, שפותח במשותף על ידי RIKEN ופוג'יטסו, הוא אחד ממחשבי העל המהירים בעולם המסוגל לבצע יותר מ-400 קוודריליון פעולות בשנייה. כדי לשים את זה בפרספקטיבה, אם תתחילו לספור עכשיו, אחד אחד בשנייה, ייקח יותר מ-12.7 מיליארד שנים להגיע למספר הזה (בקירוב גיל היקום: 13.8 מיליארד שנים). "פוגאקו" מגיע מהר פוג'י, ובדיוק כמו פסגתו הגבוהה ובסיסו הרחב של ההר, הוא נבחר לסמל את עוצמתו וטווח הגעה רחב.
Fugaku משמש למחקר במגוון רחב של תחומי מדע חישוביים, כגון אסטרונומיה, מטאורולוגיה וגילוי תרופות, התורם לפתרון בעיות חברתיות רבות. בהזדמנות זו, השתמשנו ב-Fugaku להדמיית מעגלים עצביים."
Tadashi Yamazaki, Ph.D., האוניברסיטה של יפן לאלקטרו-תקשורת
מחשב העל מורכב מחלקים קטנים הנקראים צמתים, המקובצים יחד בשכבות כמו יחידות, מדפים ומתלים. ביחד, הרכיבים הללו מסתכמים לסך של 158,976 צמתים, מה שמאפשר ל-Fugaku לנהל נפח עצום של נתונים וחישובים.
באמצעות כלי מודל המוח של מכון אלן, הצוות תרגם נתונים לסימולציה דיגיטלית עובדת של הקורטקס. סימולטור נוירונים, Neulite, הפך את המשוואות לנוירונים שמקפיצים, מאותתים ומפטפטים בדיוק כמו עמיתיהם החיים.
צפייה בקליפת עכבר מדומה היא כמו צפייה בביולוגיה בזמן אמת. הוא לוכד את המבנה וההתנהגות האמיתיים של תאי המוח, עד לענפים המגיעים מנוירונים, את הפעלות של סינפסות – המגעים הזעירים המעבירים מסרים מנוירונים במעלה הזרם לענפים של נוירונים במורד הזרם – ואת השפל והשפל של אותות חשמליים על פני ממברנות. "זה הישג טכני, אבל זה רק הצעד הראשון", אמר ימאזאקי. "אלוהים נמצא בפרטים, אז במודלים המפורטים מבחינה ביו-פיזית, אני מאמין",
"המטרה ארוכת הטווח שלנו היא לבנות מודלים של כל המוח, בסופו של דבר אפילו מודלים אנושיים, תוך שימוש בכל הפרטים הביולוגיים שהמכון שלנו חושף", אמר ארכיפוב. "עכשיו אנחנו עוברים ממודל של אזורי מוח בודדים להדמיית כל המוח של העכבר." עם סוג זה של כוח חישובי, המטרה של מודל מוח מלא ומדויק מבחינה ביו-פיזית היא כבר לא רק מדע בדיוני. מדענים נמצאים בגבול חדש שבו הבנת המוח פירושה, פשוטו כמשמעו, להיות מסוגל לבנות אחד.
מחקר חדשני זה התאפשר על ידי צוות בינלאומי הכולל את לורה גרין, Ph.D.; ביאטריז הררה, Ph.D.; כאל דאי, B.Sc.; רין קוריאמה, M.Sc.; ו-Kaaya Akira, Ph.D.
