Proiectul Blue Brain

Proiectul Blue Brain este primul efort multidisciplinar de înţelegere a funcţionării şi a disfuncţiilor creierului prin metoda ingineriei inverse (reverse engineering, RE) aplicată la creierul de mamifere, mai concret prin simulări detaliate.

În iulie 2005, EPFL şi IBM au anunţat o iniţiativă de cercetare nouă şi incitantă – un proiect privind crearea unui model funcţional şi corect al creierului, folosind super­computerul IBM Blue Gene. De dimen­siuni similare celor ale Proiectului Ge­nomul, Blue Brain va reprezenta un salt uriaş al cunoştinţelor despre func­ţionarea şi disfuncţiile creierului şi ne va ajuta să explorăm soluţii la pro­ble­me incurabile din domeniul sănătăţii mintale şi al bolilor neurologice.
Până la sfârşitul lui 2006, proiectul Blue Brain crease modelul unităţii funcţio­nale de bază a creierului, coloa­na neocorticală. La o simplă apăsare pe un buton, modelul a reuşit să re­cons­truiască neuroni corecţi din punct de vedere biologici, pe baza datelor experimentale detaliate, şi să îi conec­teze automat în manieră biologică, sarcină ce presupune poziţionarea a aproximativ 30 de milioane de sinapse în locaţii 3D exacte.
În noiembrie 2007, proiectul Blue Brain a ajuns la un punct de cotitură – şi la finalul primei etape – o dată cu anunţarea unui întreg nou proces infor­matizat de creare, validare şi cercetare a coloanei neocorticale.

Despre Proiectul Blue Brain
Cortexul, complexa „materie cenuşie” care reprezintă până la 80% din creierul uman, este însărcinat cu capacitatea noastră de a ne aminti, de a gândi, de a reflecta, de a empatiza, de a comunica, de a ne adapta la situaţii noi şi de a planifica viitorul. Cortexul e întâlnit la mamifere şi are o structură în esenţă simplă, repetitivă, aceeaşi la toate speciile de mamifere.
Creierul este „populat” de miliarde de neuroni, fiecare conectat cu mii de „vecini” prin dendrite şi axoni, un fel de reţea de cabluri biologice. Creierul pro­cesează informaţii trimiţând semnale electrice de la neuron la neuron prin aceste cabluri. În cortex, neuronii sunt organizaţi în unităţi funcţionale de bază, volume cilindrice late de 0,5 mili­metri şi înalte de 2 milimetri, formate fiecare din aproximativ 10.000 de neuroni care sunt legaţi înntr-un mod complex, dar uniform. Aceste unităţi ope­rează cam ca microcircuitele dintr-un computer. Acest microcircuit, cu­nos­cut sub numele de coloană neocor­t­icală (CNC), se repetă de milioane de ori în întregul cortex. Diferenţa dintre creierul unui şoarece şi cel al unui om este, în esenţă, una de volum – oa­me­nii au mult mai multe coloane neocor­ti­cale şi, aşadar, neuroni, decât şoarecii.
Această structură se pretează unei abordări de modeling de sistem. Şi într-adevăr, primul pas al Proiectului Blue Brain a fost recrearea acestui micro­cir­cuit fundamental, până la nivelul neu­ro­­nilor individuali. Mai departe, microcircuitul poate fi folosit în simulări.

Modelarea neuronilor

Neuronii nu sunt toţi la fel – au o diversitate de forme complexe. Forma şi structura exactă a unui neuron in­fluenţează proprietăţile electrice ale acestuia şi conectivitatea cu alţi neu­roni. Proprietăţile electrice ale neuro­nu­lui sunt determinate în mare măsură de o varietate de canale ionice distri­bui­te în diferite densităţi în întrea­ga mem­brană a celulei. Cerce­tătorii adu­nă date de laborator despre morfologia şi comportamentul electric al neuro­nu­lui la cobai de mulţi ani, iar aceste date sunt folosite ca bază pentru modelul folosit de Blue Gene pentru a recrea fiecare din cei 10.000 de neuroni din CNC.

Conexiunile modelului

Pentru a modela coloana neocor­ticală, este esenţială cunoaşterea com­poziţiei, densităţii şi distribuţiei nume­roaselor tipuri de celule corticale. Fie­care clasă de celule este întâlnită în anu­mite niveluri ale coloanei. Densi­ta­tea exactă a fiecărui tip de celulă şi volumul spaţiului pe care îl ocupă oferă infor­maţii esenţiale pentru poziţio­na­rea celulei şi construirea bazei cir­cuitului cortical. Fiecare neuron este conec­tat de mii de alţi neuroni în punctele în care se ating dendritele şi axonii lor, puncte cunoscute ca sinap­se. Într-o coloană cu 10.000 de neu­roni, asta înseamnă trilioane de posi­bile conexiuni. Blue Gene este folosit în acest calcul intensiv extrem pentru a deter­mina locaţia sinapselor, „jon­glând” cu neuronii în spaţiul 3D pentru a identifica scenariul de conexiune optim.

Modelarea coloanei

Rezultatul tuturor acestor calcule este o recreare la nivel celular a coloa­nei neocorticale, microcircuitul de bază al creierului. În acest caz, este vorba de coloana corticală a unui pui de cobai. Până acum, aceasta este sin­gura replicare corectă din punct de vedere biologic al CNC – neuronii sunt realizaţi realist din punct de vedere biologic, iar conectivitatea este opti­mizată. Acest lucru ar fi fost imposibil fără capacitatea uriaşă de calcul a lui Blue Gene. Un model de CNC a fost finalizat la sfârşitul lui 2006.
În noiembrie 2007, Proiectul Blue Brain a anunţat oficial încheierea etapei întâi a proiectului, cu trei realizări concrete:
1. un cadru nou de modelare pentru construcţia automată, la cerere, de circuite neurale pe baza datelor biologice;
2. un nou proces de simulare şi calibrare care analizează automat şi sistematic acurateţea biologică şi coerenţa fiecărei revizuiri a modelului;
3. primul model de coloană neocorticală de nivel celular construit în întregime pe baza datelor biologice, care poate servi acum ca instrument-cheie pentru cercetarea pe bază de simulări.

Simularea microcircuitului

Odată microcircuitul construit, misiunea incitantă de a face circuitul să funcţioneze poate începe. Toţi cei 8.192 de procesori ai lui Blue Gene sunt puşi la treabă, într-un calcul în paralel care să rezolve ecuaţiile matematice complexe ce guvernează activitatea electrică în fiecare neuron atunci când este aplicat un stimul. În prezent, timpul necesar pentru a simula circuitul este de aproape două ordine de mărime mai mare decât timpul biologic real care se simulează. Echipa Blue Brain încearcă să eficien­tizeze calculul, astfel încât circuitul să funcţioneze în timp real – adică o se­cundă de activitate să poată fi modelată într-o secundă.

Interpretarea rezultatelor

Realizarea simulării Blue Brain generează cantităţi uriaşe de date. Analizele neuronilor individuali trebuie repetate de mii de ori. Iar analizele privind activitatea reţelei necesită gestionarea unor date care pot ajunge uşor la sute de gigabiţi pe secundă de simulare. Folosind computere paralele, datele pot fi analizate acolo unde sunt create (analiză la server pentru datele experimentale şi analiză online în timpul simulării).
Dată fiind complexitatea geo­me­trică a coloanei, explorarea vizuală a circuitului este o parte importantă a analizei. Cartografierea datelor din si­mu­lare pe morfologie este nepreţuită pentru verificarea imediată a activităţii unei singure celule sau a fenomenelor din reţea. Arhitecţii de la EPFL au cola­borat cu dezvoltatorii Blue Brain pen­tru realizarea unei interfeţe de vizualizare care să transpună datele Blue Gene într-o reprezentare vizuală 3D a coloa­nei. Un alt supercomputer este folosit pentru această sarcină de calcul intens. Vizualizarea formelor neuronilor este o sarcină dificilă, dat fiind că o coloană de 10.000 de neuroni redaţi în mesh de bună calitate înseamnă în esenţă un miliard de triunghiuri pentru care este nevoie de aproximativ 100 GB de date de gestionare. Datele de simulare cu rezoluţie de compartiment electric pentru fiecare neuron repre­zin­tă încă 150GB. Pe măsură ce impulsul electric trece prin coloană, neuronii se aprind şi îşi schimbă culoarea, întrucât devin activi din punct de vedere elec­tric.
O interfaţă vizuală ar permite iden­tificarea rapidă a zonei de interes care apoi poate fi studiată mai în detaliu prin noi simulări. De asemenea, repre­zentarea vizuală poate fi folosită la compararea rezultatelor simulării cu experimentele care arată activitatea electrică din creier. Această calibrare – compararea funcţionării circuitului Blue Brain cu experimentul, îmbu­nă­tă­ţirea şi rafinarea lui – este cea de-a doua etapă a Proiectului Blue Brain, estimată a se încheia la sfârşitul lui 2007.

Ce urmează în Proiectul Blue Brain?

Etapa întâi marchează finalizarea unui proces de cercetare pentru de­mons­trarea unui principiu şi bazat pe simulare care s-a încheiat cu dezvol­ta­rea unui model de nivel celular de coloană neocorticală. A fost atins un asemenea nivel de acurateţe biologică, încât acest model în sine serveşte acum ca instrument principal în eva­lua­rea coerenţei şi a relevanţei datelor neuro-biologice, oferind în acelaşi timp sprijin pentru noi eforturi de expe­ri­men­tare. Aceste noi date vor contribui la o rafinare şi mai mare a modelului coloanei neocorticale. Procesul per­mi­te oamenilor de ştiinţă din domeniu să caute răspunsuri la probleme ştiinţifice prin integrarea datelor experimentale disponibile şi evaluarea ipotezelor de dinamică a reţelelor şi de funcţionare neurală.
Finalizarea etapei întâi oferă un fun­dament pentru creşterea rezoluţiei modelelor la nivel molecular şi pentru extinderea dimensiunii modelelor până la întregul creier de mamifer.
În viitor, informaţii privind nivelul molecular şi genetic vor fi adăugate la algoritmii care generază neuronii indi­vi­duali şi conexiunile lor, şi astfel acest nivel de detaliere va fi reflectat în construirea circuitului. Simulările pot fi folosite pentru a analiza ce se întâmplă atunci când aceste informaţii mole­cu­la­re sau genetice sunt alterate – situa­ţii cum ar fi o variaţie genetică în anu­miţi neurotransmiţători sau ce se întâm­plă atunci când mediul molecular este modificat cu ajutorul medica­mentelor.Proiectul va continua să crească şi va include, în mod necesar, oameni de ştiinţă şi grupuri de cercetători din întreaga lume.

Publicat în : Tehnologie  de la numărul 53