Blue Brain Projekat – Projekat modelovanja mozga sisara

Gost autor: Velibor Ilić

 Tokom poslednjih desetak godina u mnogim naučnim disciplinama došlo je do veoma značajnog napretka, uključujući i oblast neuronauke. Do takvog ubrzanog razvoja u velikoj meri došlo je zahvaljujući razvoju informacione tehnologije, koja je omogućila jednostavno memorisanje i obradu velikih količina informacijama.

Blue Brain projekat

Švajcarski Federalni Institut za Tehnologiju u Lozani (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Swiss Federal Institute of Technology, http://www.epfl.ch) i IBM (http://www.ibm.com) su sredinom 2005. godine zajednički započeli projekat pod nazivom Blue Brain. Ovaj projekat je inicirao profesor Henry Markram, osnivač Instituta za Mozak i Svest (Brain & Mind Institute, http://bmi.epfl.ch), koji pripada Švajcarskom Federalnom Univerzitetu za Tehnologiju u Lozani. Projekat ima za cilj da upotrebom najsavremenije informacione tehnologije, to jest superračunara Blue Gene, objedini podatke sakupljene tokom proteklih sto godina i podigne istraživanje funkcija mozga na novi nivo. Za razliku od ranijih projekata koji su imali za cilj kreiranje inteligentne neuronske mreže, cilj ovog projekta je izrada digitalne što preciznije kopije kolone neokorteksa i simulacija procesa koji se dešavaju na ćelijskom i molekularnom nivou.

Tokom naredne dve godine, naučnici iz ove dve institucije će zajednički raditi na IBM-vom super računaru Blue Gene sa ciljem kreiranja detaljnog modela mikrokola kakva sačinjavaju neokorteks, najveći i najkomplikovaniji deo ljudskog mozga. U kasnijim fazama se planira izrada modela i drugih oblasti mozga, ili eventualno izrada računarskog modela kompletnog mozga.

Modelovanjem mozga na ćelijskom nivou je veliki poduhvat zbog toga što je potrebno uzeti u obzir na stotine ili čak hiljade parametara koji se paralelno dešavaju između nervnih ćelija. Naučnici sa IBM-a imaju veliko iskustvo u simulaciji bioloških sistema na najnaprednijim superračunarima.

Tim stručnjaka sa Brain & Mind instituta, na čelu sa prof Henry Markram-om će obezbediti velike količine podataka koji će se koristiti za simuliranje kolone neokorteksa. U okviru ovog instituta se nalazi laboratorija za istraživanje neuralnih mikrostruktura koja je opremljena najsavremenijim opremom.

Naučnici iz IBM sa njihovim iskustvom u simulaciji kompleksnih bioloških sistema će sarađivati oko izrade simulacije koja će imati mogućnost raspoređivanja modela nervnih ćelija u 3D i elektro hemijske interakcije između neurona koje se dešavaju u unutrašnjosti mozga, u realnom vremenu. Ovakav model će biti u stanju da simulira procese mozga u tri dimenzije kakvi do sada nisu ostvareni. S obzirom da se Blue Brain projekat izvršava na IBM-ovom superračunaru Blue Gene/L, na ovom multidisciplinarnom projektu će raditi eksperti u oblasti vizualizacije, simulacije, algoritama, optimizacije superračunara i razvoja novih računarskih pristupa.

Upotrebom digitalnog modela, naučnici će na računarskoj simulaciji na molekularnom modelu, će imati mogućnost prikazivanja internih procesa kao što su misli, percepcija i memorija. Naučnici se nadaju razumevanju kako i zašto određena mikro kola u mozgu otkazuju što može dovesti razumevanja kako nastaju određeni psihijatrijski poremećaji kao što su autizam, šizofrenija i depresija.

U prvoj fazi projekta se izrađuje softverska replika kolone neokorteksa. Neokorteks sačinjava 85% mase ljudskog mozga i odgovoran je za kognitivne funkcije kao što su: govor, učenje, memorisanje i kompleksno razmišljanje. Precizna replika kolone neokorteksa će biti prvi esencijalni korak ka simulaciji celokupnog mozga i obezbediće link između genetskih, molekularnih i kognitivnih nivoa funkcija mozga. U drugoj fazi će se proširiti simulacija koja uključuju kola drugih regiona mozga ili eventualno celokupnog mozga.

Neki naučnici smatraju da je još uvek suviše rano da bi se počelo sa ovako ambicioznim projektom. Profesor Terrence Sejnowski: "Ovo je ambiciozan projekat koji je osuđen da propadne. Mi još uvek nemamo dovoljno znanja da bi bili u stanju da simuliramo detaljni model mozga."

"Kada je Wilfred Rall pre 40 godina predložio da se izradi precizan model jednog neurona, naučnici iz oblasti neuronauke su smatrali da tako nešto nema smisla ili da je jednostavno previše komplikovano, ali nekoliko godina kasnije bilo je potpuno jasno da je to neizbežan i logičan korak u razvoju neuronauke. Takva simulacija obezbedila je mnogo korisnih informacija. Ovaj projekat će verovatno dovesti do pomeranja od paradigme jednog neurona ka paradigmi mikrokola.", kaže Idan Segev

"Verovatno će polovina naučnika iz oblasti neuronauke biti veoma skeptična u vezi ovog projekta, ali ako bi se samo slušali skeptici, ništa ne bi bilo urađeno niti otkriveno. Sada je pravi trenutak da se počne sa ovim projektom. Neće biti jednostavno, ali možemo računati da će mnogo istraživača pomoći u izradi ovog projekta i da ćemo u roku od 2-3 godine imati precizan model kolone neokorteksa. Preciznost simulacije će biti proveravana tako što će se rezultati simulacije upoređivati sa rezultatima prikupljanim merenjem elektrofizioloških parametara u eksperimentalnim uslovima na neurostrukturama mozga. Trenutno se nalazimo u veoma važnom razdoblju istorije gde imamo dovoljno podataka i dovoljno računarske snage da ih udružimo kako bi iskoristili vekovno znanje i izgradili kolonu neokorteksa. Uspešna realizacija ovog projekta bi bila u rangu sletanja na mesec ili dekodiranja genoma.", kaže profesor Markram.

Blue Gene Superračunar

Blue Gene superračunar trenutno predstavlja jedan od najbržih sistema, koji omogućava izradu simulacija koje bi zahtevale previše vremena ukoliko bi se pokušale na standardnim PC računarima. Za potrebe projekta nabavljen je superračunar Blue Gene/L sa 8000 procesora koji je prema karakteristikama među 10 najbržih superračunara na svetu (http://www.top500.org). Sistem instaliran na EPFL-u okupira prostor četiri frižidera, a maksimalna brzina superračunara iznosi 22.8 triliona operacija u pokretnom zarezu (22.8 teraflopsa) što ga svrstava među trenutno najbrže sisteme na svetu. Ono što je najbitnije nije samo sirova snaga procesore, nego kako se primenjuje za ubrzavanje inovacija i otkrića u nauci, inženjeringu ili poslovanju.

Upotrebljavajući Blue Gene superračunar za simuliranje eksperimenta u realnom vremenu, prof Markram predviđa veliko ubrzanje u istraživanju mozga. "Sa preciznim računarskim modelom mozga veliki broj eksperimenata bi se mogao uraditi na računarskom modelu, a kasnije bi se takvi rezultati potvrđivali u laboratorijskim uslovima". Ovakva simulacija na superračunaru omogućila bi neuro naučnicima da dobiju rezultate eksperimenta u roku nekoliko sekundi, za koje je trenutno potrebno provesti više časova ili čak nekoliko dana u laboratorijskim uslovima vršeći eksperimente na životinjama. Postojeća procesna snaga Blue Gene superračunara dovoljna je da bi se započeo projekat, to jest za simulacije u realnom vremenu do 5×104 neurona kompleksnih neurona ili oko 100 miliona jednostavnih neurona, ali će biti potrebno daleko više procesne snage da bi se išlo sa kompleksnijim istraživanjima, kakva se planiraju kasnijim fazama.

Pored istraživanja na polju neuronauke, dogovoreno je da IBM-ova istraživačka laboratorija u Cirihu i ekipa naučnika sa EPFL ovog instituta za istraživanje fizike kompleksnih materijala i fizike nanostruktura, povremeno koristiti ovaj Blue Gene superračunar za istraživanje karbonskih nanocevi, u cilju izrade manjih poluprovodnika i mikročipova.

Šta je to neokorteks i kolona neokorteksa

Neokorteks predstavlja region mozga koji omogućava sisarima da se efikasno prilagode brzim promenama životne sredine.

Kolona Neokorteksa (Neocortical Column - NCC) se sastoji od najmanje mreže neurona koja se ponaša kao funkcionalna celina koja je sposobna da izvodi složene funkcije mozga, t.j. NCC predstavlja elementarni gradivni blok mozga sisara. Kolona neokorteksa se sastoji od stotina mini kolona koje su specijalizovane za pojedine aktivnosti. 

Kolona neokorteksa sastoji se od šest slojeva. Svaki sloj šalje informacije u različite regione mozga. Na desnoj slici je umetničcki prikaz kolone neokorteksa Janos Sent Agotai (1912-1994)

Naučno istraživanje mozga i nervnog sistema počelo je gotovo pre jednog veka kada su Kamilo Goldži (Camilo Golgi) i Ramon Kahal (Ramon Y Cajal) otkrili veliku povezanost nervnih ćelija, gde je oko 60000 neurona povezano sa preko 5km veza. Za ovo otkriće 1906. podelili su Nobelovu nagradu za istraživanje na polju mikro struktura nervnog sistema.

Za otkriće kolone neokorteksa (NCC) Roger W. Sperry (California Institute of Technology - Caltech), David H. Bubel (Harvard Medical School) i Torsten N. Wiesel (Harvard Medical School) su 1981. godine nagrađeni Nobelovom nagradom.

Dimenzije kolone neokorteksa su oko 0.5mm širina i 2-4 mm visina kod primata i ljudi. Miševi takođe imaju NCC sličnih dimenzija tako da su pogodni za istraživanje u neuronauci.

U laboratoriji prof. Henrija Markram-a je tokom proteklih 10 godina razvijen veliki broj novih tehnika i metoda za prikupljanje podataka o elektrofiziologiji i anatomiji različitih tipova neurona kao i njihovoj međusobnoj vezi. Prikupljeni podaci su dostigli dovoljan nivo detaljnosti koji omogućava početak sistematske rekonstrukcije kolone neokorteksa. Izučavani su broj i tipovi neurona koji su bili prvobitno definisani, tipovi nervnih ćelija, zatim koje ćelije se međusobno povezuju i koliko često. Takođe je detaljno izučavan i način na koji neuroni funkcionišu i na koji komuniciraju. Nivo ovih podataka je dovoljno detaljan za početak izrade približno kompletnog digitalnog opisa strukturnih i funkcionalnih pravila kolone neokorteksa (NCC).

Ovakvim pristupom, vremenom će se dostići izrada precizne softverske simulacije NCC. Kombinovanjem procesne moći savremenih računara i znanja, iskustava i podataka prikupljanih tokom proteklih 100 godina omogućava da se počne sa ovako važnim projektom.

Blue Brain softver

Prvi cilj Blue Brain projekta je izrada preciznog softverskog modela pod nazivom The Blue Column koji na ćelijskom nivou u realnom vremenu simulira kolonu neurokorteksa (NCC), realizacija ovog projekta planira se u narednih dve do tri godine.

Softver Blue Column sastoji se od 104 morfološki kompleksnih neurona sa aktivnim jonskim kanalima koji omogućuju generisanje električnih signala. Neuroni se međusobno povezuju u trodimenzionalnom prostoru pomoću 107-108 dinamičkih sinapsi. Softver Blue Column će prihvatati informacije iz spoljašnjeg sveta preko 103-104 eksternih ulaznih sinapsi i generisati izlazne podatke na oko 103-104 izlaznih sinapsi. Neuroni će prenositi informacije preko dinamičkih i stohastičkih pravila sinaptičke transmisije, a funkcionisanje sinapsi se nadgleda pomoću samo-adaptivnih algoritama učenja.

U prvobitnoj fazi projekat se sastoji od:

-        Baze podataka o mikrokolima "NeoBase"

-        Sistem za vizualizaciju

-        Podsistem za simulaciju i analizu mikrokola

-        Eksperimenti

Baza podataka o mikrokolima "NeoBase"

Laboratorija za neuralna mikrokola je sakupila veliku količinu podataka o sastavu i vezama neurona koji se nalaze u kolonama neokorteksa. Samo deo ovih podataka je do sada objavljen. Neki od ovih podataka je trenutno dostupan javnosti preko male baze podataka zvane "Baza podataka Neokorteksnih Mikrokola" (Neocortical Microcircuit Database (NMDB)) Svi podatci će uskoro biti dostupni javnosti. Podaci o mikrokolima iz drugih laboratorija širom sveta će takođe biti uključeni u ovu bazu podataka.

Nova baza podataka NeoBase će sadržati rekonstruisane 3D modele nervnih ćelija, informacije o sinapsama, sinaptičke pravce, statističke i kompjuterske modele neurona, kao i virtuelne neurone. Osnovna svrha ovog sistema je da omogući informacionu infrastrukturu koja objedinjavanje informacije koje se prikupljaju u laboratorijama, informacije potrebne za simulaciju, kao i da omogući skladištenje informacija koje nastaju kao rezultat simulacija. Sistem NeoBase, se izrađuje pomoću softvera ROOT koji je nastao na CERN-u, koji omogućava skladištenje i obradu i velike količine podataka koje generiše nuklearni reaktor.

Vizualizacija Mikrokola

Softver za vizualizaciju mikrokola sadrži nekoliko podsistema: BlueVision, BlueBuilder, BlueAnalysis i Blue Image koji omogućava dvodimenzionalni i trodimenzionalni prikaz aktivnosti kolone neokorteksa.

BlueBuilder je podsistem namenjen za dizaniranje, učitavanje i povezivanje modela koji sadrži i po nekoliko hiljada modela neurona.

BlueBuilder učitava fajlove koji sadrže detaljan morfološki opis nervnih ćelija sa trodimenzionalnim koordinatama, u formatu Neurolucida, funkcionalni modeli neurona biće simulirani pomoću softvera NEURON, uključujući fiziološke osobine. NEURON predstavlja softver koji je razvio prof. Ted Carnevale sa univerziteta Jeil (Yale), koji omogućava simulaciju funkcija nervne ćelije. BlueBuilder će moći da učitava neurone direktno iz baze podataka NeoBase. Konekcije između nervnih ćelija će se formirati prema utvrđenim pravilima povezivanja ćelija. Fenomenološki i biofizički modeli sinapse dodeljuju se konekcijama preko BlueBuildera. BlueBuilder će kreirati dve vrste fajlova kao izlazni format: reference za Neuron fajlove koje se učitavaju simulator  CNS na Blue Gene superračunaru, a drugi format je namenjen sistemu za vizualizaciju BlueVision.

BlueVision je sistem koji je razvijen u saradnji sa EPFL-ovom odsekom za arhitekturu na čijem je čelu prof Georges Abou-Jaoude. Vizualizacija će omogućiti kreiranje velikog broja različitih grafičkih formata počevši od Neurolucida fajl formata za opis nervnih ćelija, do slika u visokoj rezoluciji, preko interaktivne navigacije i vizualizacije aktivnosti nervnih ćelija iz različitih uglova posmatranja.

BlueImage predstavlja softverski modul koji je povezan na BlueVision koji omogućava vizualizaciju aktivnosti generisanih u koloni neokorteksa. Sve vrednosti generisane u simulaciji mogu biti vizualizovane.

Simulacija i analiza mikrokola

Simulacija na superračunaru Blue Gene će proizvoditi terabajte podataka u roku od nekoliko minuta simulacija. BlueAnalysis softver se koristi za grafički prikaz, analizu, obradu i arhiviranje podataka što je brže moguće.

Osnovu za razvoj softvera za simulaciju mikrokola neokorteksa predstavlja NCS (NeoCortical Simulator) koji su razvili profesor Philip Goodman i James Frye sa Univerziteta u Reno-u, Nevada. NCS softver omogućava simulaciju kola koje sadrže veliki broj neurona jednostavne strukture. NCS je optimizovan za paralelno izvršavanje na velikom broju procesora, razvijen je na sistemu pod nazivom BeoWulf koji se sastoji od klastera 1000 umreženih PC računara pod operativnim sistemom Linux. Umesto jednostavnih modela neurona koje je sadržavala originalna verzija NCSa, u novoj verziji softvera koja se izrađuje u okviru BlueBrain projekta, funkcije nivoa nervnih ćelija će se  detaljno simulirati pomoću softvera NEURON.

BlueStim je softverski interfejs koji omogućava konekciju ulaznih signala sa jednom od nekoliko miliona sinapsi koje se nalaze unutar kolone. Generator stimulansa će omogućiti povezivanje kolona sa spoljašnjim svetom, sa drugim kolonama ili drugim delovima mozga u kasnijim fazama projekta.

BlueRead predstavlja softverski interfejs koji omogućava očitavanje pojedinačnih vrednosti parametara tokom simulacije radi dalje vizualizacije ili analize.

Eksperimenti

Tokom naredne 2 do 3 godine se očekuje se izrada preciznog modela kolone neokorteksa na kome će raditi veliki broj istraživača iz oblasti neuronauke, informacionih tehnologija, kao i drugih oblasti nauka. Preciznost simulacije će se proveravati u serijama ponovljenih eksperimenata kojima će rezultati generisani simulacijom t.j. matematičkim modelima, biti upoređivani sa rezultatima prikupljanim u laboratorijskim uslovima merenjem elektrofizioloških parametara neuro struktura mozga.

Laboratorija za Neuralna Mikro kola je opremljena sa najsavremenijom tehnologijom za izdvajanje strukture i funkcije kolone neokorteksa pomoću Patch-Clamp sistema, MEA stimulacije i snimanja, Multi-site laserskog UNCAGING i 2Pohton mikroskopa koji omogućava 3dimenzione rekonstrukcije neuro struktura. Cilj eksperimenata je da se dokaže da se pomoću softverske simulacije BlueColuman mogu generisati identični rezultati kakvi se dobijaju očitavanjem na neuro strukturama mozga.

Očekivani rezultati

Uspešna realizacija Blue Brain projekta značajno bi ubrzala dalja istraživanja u oblasti neuro nauke, i shvatanja kako mozak funkcioniše, obrađuje informacije, kao i razumevanje zbog čega nastaju određene bolesti mozga i nervnog sistema.

Prikupljanje i testiranje podataka prikupljanih proteklih 100 godina

Ovako izrađena softverska simulacija će omogućiti naučnicima praktičnu proveru znanja sakupljenog tokom prethodnih 100 godina o funkcionisanju mikrostruktura u kolonama neokorteksa. Eksperimentalna provera postojećih teorija na simulaciji će verovatno biti prvi pozitivni efekti ovog projekta. Izrađeni softver će omogućiti objedinjavanje prikupljenog znanja i obezbediti alate za detaljno istraživanje neokorteksa i povezivanje struktura sa funkcijama koje one obavljaju.

"Naučnici su akumulirali znanje o strukturama i funkcijama mozga tokom poslednjih 100 godina. Sada je vreme da se ovi podaci prikupe u ujedinjeni model i provere u simulaciji. Mi još uvek moramo da učimo o mozgu da bi mogli da razumemo unutrašnje procese, izrada ovog modela će pomoći da organizujemo i ubrzamo ovo istraživanje", kaže prof Henry Markram

Dekodiranje neuralnog koda

Dekodiranje neuralnog koda predstavlja jedan od ključnih ciljeva neuronauke. Ovaj kod opisuje na koji način mozak obavlja funkcije koristeći električne šeme. To jest na koji način veliki broj neurona, sa relativno skromnim mogućnostima obrade informacija, udruženi u odgovarajuće strukture imaju mogućnost obavljanja veoma složenih operacija kakve se dešavaju u oblasti neokorteksa. Kreiranje precizne replikacije centralnog sistema koja verno reprodukuje osnovnu elektrodinamiku realnog mikrokola, obezbediće dobru osnovu za dalje istraživanje u pravcu kako neokorteks obrađuje informacije, memoriše i pristupa informacijama.

Razumevanje kako neokorteks obrađuje informacije

Repliciranjem kolone neokorteksa može predstavljati ključ za razumevanje evolucionog razvoja kako se mozak razvijao od jedne vrste ka drugoj. Oponašanjem razvoja neokorteksa, omogućiće ispitivanje kako se procesna snaga mozga menja sa njegovim razvojem. To će omogućiti da počnemo razumevanje EEG zapisa i kao i fMRI studije. To će zahtevati konekciju svih delova mozga zajedno i ovo će otkriti mnogo važnih principa kako mozak može biti povezan na ćelijskom nivou.

Ponovljeni eksperimenti su neophodni da bi se otkrile sve pravilnosti koje se dešavaju između individualnih elemenata (neuroni, sinapse, jonski kanali, receptori), putanja (mono-sinaptičke, disinaptičke, i multi sinaptičke petlje) i fizioloških procesa (funkcionalne osobine, učenje, nagrađivanje, ponašanje vođeno ciljem).

Nova alatka za ispitivanje lekova za bolesti mozga

Bolje razumevanje načina na koji funkcionišu različiti elemenati neokorteksa i centralnog nervnog sistema obezbeđuje dobru osnovu za ispitivanje širokog spektara neuroloških i psihijatrijskih bolesti. Uticaj receptora, jonskih kanala, ćelijskih i sinaptičkih poremećaja će biti moguće testirati u simulaciji što će dovesti do određivanja optimalnih laboratorijskih testova.

Globalne mogućnosti

Softverska replika CNS će omogućiti naučnicima da ispituju hipoteze o funkcionalnosti i disfunkcionalnosti mozga što će dovesti do ubrzanja istraživanja, a na ovaj način bi se značajno smanjila upotreba životinja na kojima bi se proveravale ovakve hipoteze. Model neće još uvek moći u potpunosti da zameni eksperimente na životinjama, ali će omogućiti da eksperimenti budu bolje fokusirani i bolje optimizovani. Što znači da će model omogućiti da se eksperimenti provere i optimizuju pre nego što se budu vršili eksperimenti na životinjama. Što će svakako uticati da se spase značajan broj životinja koje bi se upotrebile u eksperimentima koji ne bi davali očekivane rezultate ili probnim eksperimenatima. Simulacije mogu determinisati koji parametri bi se mogli koristiti i meriti u eksperimentima. Napredni sistem za 2D i 3D vizualizaciju će omogućiti vizualizaciju mnogih aspekata neuralne dinamike tokom obrade, memorisanja i pristupanja informacijama. Takvi vizuelni eksperimenti mogu biti nemogući u realnosti ili bi zahtevali velike troškove da bi se ostvarili. Jednom kada bude kreiran detaljnan model kolone neokorteksa, i kada njegove karakteristike budu eksperimentalno potvrđene, naučnici će biti u stanju da vrše eksperimente koji su ranije trajali godinama i bili veoma skupi ili previše komplikovani da se izvedu. Ova mogućnost će u mnogome ubrzati dalja istraživanja.

Pravci razvoja Blue Brain Projekta u kasnijim fazama

U prvoj fazi, koja bi trajala oko dve godine, se počinje sa izradom replike na ćelijskom nivou kolone neokorteksa koja sadrži 104 kompleksnih neurona. Postojeća konfiguracija superračunara Blue Gene može simulirati oko 100 miliona neurona sa minimalnom kompleksnošću ili oko 104 do 5×104 kompleksnih neurona povezanih sa 107 do 108 sinapsi. Očekuje se da će naredna generacija superračunara biti u stanju da simulira oko milijardu neurona sa značajnom kompleksnošću.

U kasnijim fazama će se istraživati u više pravaca istovremeno od kojih dva glavna pravca istraživanja predstavljaju:

• Uprošćavanje kolone i izradu kopija većih regiona neokorteksa ili eventualno kompletnog neokorteksa.
• Izrada detaljnije simulacije kolone neokorteksa, gde se ide dalje u dubinu simulirajući procese koji se odvijaju na molekularnom nivou. Ovaj korak ima za cilj kretanje prema genetskim nivoima simulacije kolone neokorteksa.

Brain & Mind Institut u Lozani će u narednim fazama projekta pozvati istraživače da izrade sopstvene modele različitih regiona mozga različitih vrsta životinja i različitih nivoa detaljnosti koristeći softver razvijen u okviru Blue Brain projekta. Ovi modeli će biti smešteni u Internet bazu podataka iz koje će Blue Brain softver moći da izdvaja i povezuje modele da bi se gradili regioni mozga kada se bude počela izrada simulacija kompletnog mozga.

Neki od pravaca kojima će se naučnici baviti u okviru ovog projekta u kasnijim fazama:

1.     Blue Synapse: Cilj ovog projekta je izrada modela sinapse koja sadrži detalje na molekularnom nivou.

2.     Blue Neuron: Cilj ovog projekta je izrada modela neurona koji sadrži detalje na molekularnom nivou.

3.     Blue Column: Ćelijski model kolone neokorteksa koji sadrži 10000 neurona. U kasnijim fazama će se realizovati model na molekularnom nivou detaljnosti.

4.     Blue Neocortex: Blue kolona će se umnožavati da bi se postigla simulacija regiona neokorteksa ili eventualno kompletan neokorteks.

5.     Blue Brain projekat takođe ima za cilj izradu modela drugih korteksnih i subkorteksnih modela mozga. Modeli senzornih i kinematičkih funkcija.

Osnova za simulaciju kompletnog mozga

Prvobitno će biti modelirane kolone neokorteksa (NCC) kakve se nalaze u mozgu pacova starosti dve nedelje. Najviše eksperimentalnih rezultata je upravo prikupljeno o funkcionisanju mozga pacova što će omogućiti upoređivanje simularnog modela sa prikupljenim podacima. Kada bude izgrađena precizna kopija NCC, poslužiće kao šablon koji sadrži neurone i konekcije sa drugim neuronima mozga, uzrasta, životinja i vrsta životinja. Princip šablona će omogućiti izradu modela kolone neokorteksa bilo koje vrste.

Sa trenutnom i budućom računarskom tehnologijom će biti moguće da se u potpunosti simulira mozak sisara do ćelijskog nivoa, dok će sinapse biti simulirane do molekularnog nivoa. Precizna replikacija kompletnog mozga sisara će zahtevati generisanje uproštenog modela neokorteksa koji će zadržati osnovne funkcije i mogućnosti, koje bi se mogle umnožavati i međusobno povezivati različite regione mozga.

Ljudski mozak sadrži nekoliko miliona kolona neokorteksa (NCC). Zbog ovog razloga neophodno je prvo kreirati precizan model NCC i tada bi se moglo dalje istraživati na koji način je moguće uprostiti ovakav model NCC a da ostane funkcionalno identičan prirodnom NCC pre nego što se počne sa dupliciranjem. Drugi pristup je konvertovanje softvera NCC u hardversku verziju t.j. čip, i tada bi smo mogli kopirati i jednostavno dalje izrađivati i povezivati takve čipove.

Kolona neokorteksa je veoma slična kod miševa i pacova sa kolonama kakve se nalaze kod ljudi, kao i ostali regioni mozga, zbog toga su oni veoma pogodni za istraživanja mozga. Šeme određenih regiona mozga pacova koje se koriste, obezbeđuju dobru početnu poziciju, za kasnije faze istraživanja, koja omogućava kreiranje kolona i različitih regiona mozga i izradu simulacija različitih vrsta životinja, sa dodatkom malih varijacija u različitim regionima mozga kod različitih vrsta. Broj neurona koji se nalaze u regionu neokorteksa varira između nekoliko miliona kod mozga malih životinja do 10-100 biliona u ljudskom mozgu.

Procenjeno je da je za simulaciju u realnom vremenu jedne kolone neokorteksa koja sadrži 104 morfološki kompleksnih neurona povezanih sa 108 sinapsi je dovoljan Blue Gene superračunar sa 8000-12000 procesora. Za simulaciju ljudskog mozga koji sadrži nekoliko miliona NCC će biti potrebno više nego proporcionalno više procesorske snage. To će dati ideju koliko je potrebno procesorske snage da bi se obezbedila simulacija ljudskog mozga na ćelijskom nivou u realnom vremenu. Simulacija mozga na molekularnom nivou je nemoguća na sadašnjim računarskim sistemima.

Osnova za modelovanje mozga na molekularnom nivou

Precizna celularna replika kolone neokorteksa će obezbediti prvi i esencijalni korak prema izradi kasnijih kompleksnijih modela i predstavlja prvi korak prema izradi modela koji će opisivati neokorteks na molekularnom nivou sa biohemijskim putanjama koje će biti simulirane. Izradom modela koji simulira procese na molekularnom nivou, omogućava se dalje istraživanje kako informacije iz genetskog koda utiču na funkcije koje se izvršavaju na nivoima mozga, neokorteksa i nervnih ćelija. Uspostavljanjem ove veze omogućava se istraživanje kognitivnih konsekvenci koje nastaju genetskim nivoima i omogućava se reverzni inženjering kognitivnih poremećaja. Nivo simulacije na molekularnom nivou će se realizovati u kasnijim naprednijim fazama razvoja Blue Gene superračunara.

Seminar povodom početka rada na projektu Blue Brain - 14.06.2005

Autor teksta je proveo godinu i po dana na Brain&Mind institutu u Lozani, i u saradnji sa prof. Henry Markram-om je radio na izradi softvera za detaljnu trodimenzionalnu rekonstrukciju nervnih ćelija kao i sistema baziranog na Internet tehnologijama za dijagnostifikovanje kognitivnih poremećaja kao što su poremećaji pažnje i radne memorije.

Linkovi

http://bluebrainproject.epfl.ch

http://bmi.epfl.ch

http://bmi.epfl.ch/LNMC.html

http://microcircuit.epfl.ch/

http://domino.research.ibm.com/comm/pr.nsf/pages/news.20050606_CognitiveIntelligence.html

http://faculty.washington.edu/chudler/facts.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Cortical_column

http://brain.cse.unr.edu/ncsDocs/

http://www.neuron.yale.edu/neuron/

http://nobelprize.org/medicine/laureates/1981/

http://nobelprize.org/medicine/laureates/1906/