Мозг в двоичном коде

12.12.07

Ученые не оставляют попыток разгадать загадку самого сложного органа – мозга. 26 ноября Политехнический университет Лозанны (EPFL) и компания IBM объявили об успешном завершении первого этапа проекта создания компьютерной модели мозга млекопитающих. Ученые уверены, что построение модели мозга человека – задача, реализуемая в ближайшем десятилетии.

Проект под названием Blue Brain Project, стартовавший в 2005 году, сравнивают по значимости с проектом по расшифровке генома человека. Ученые Института мозговой активности при EPFL задались целью создать полную виртуальную модель мозга млекопитающих, которая бы в точности отражала все физиологические процессы. Использоваться эта модель может для проведения экспериментов, анализа последствий оперативных вмешательств и действия медикаментов, исследования природы заболеваний мозга и нервной системы. Для проведения вычислительных процессов к сотрудничеству был приглашен Исследовательский центр IBM, который предоставляет мощности одного из суперкомпьютеров Blue Gene (5,7 терафлопс).

К построению модели ученых подтолкнуло наблюдение систематичности в работе головного мозга. В головной коре, из которой состоит 80% мозга, нейроны организованы в типичные структурные единицы, так называемые пирамиды (гигантские клетки). Каждая пирамида содержит примерно 10 тыс. нейронов, соединенных между собой дендритами и аксонами, образующими сложные, но закономерные связи. Исследования показали, что функционируют пирамиды по четким алгоритмам, которые можно выразить математически.

На первом этапе было решено воспроизвести работу единичной пирамиды. За основу взяли результаты экспериментов с мышами. Этих данных достаточно, чтобы решить поставленную задачу: разница между головным мозгом человека и мыши состоит главным образом в количестве пирамид. Строить модель пришлось в три шага – сначала смоделировать нейроны, учитывая их пространственные параметры и электрические свойства, затем построить связи между отдельными нейронами: число вариантов связей составляет триллионы. Последний шаг позволил воссоздать на клеточном уровне реально функционирующую пирамиду.

Помимо чисто статистических данных (сотни гигабайтов за секунду симуляции) удалось построить визуальную трехмерную модель. На экране монитора можно видеть, как электрический импульс проходит по нейронам пирамиды, которые в этот момент подкрашиваются цветом. Визуализация оказалась отдельной проблемой: чтобы точно передать вид всех нейронов,  понадобилось высветить 1 млрд точек, каждая из которых требует 100 Гб управленческой информации.

«По окончании второго этапа работы в модель можно будет вводить информацию о генетических и молекулярных свойствах нейронов и связях между ними», – говорит ко-директор Института мозговой активности Генри Маркрам. Такая детальная симуляция позволит исследовать процессы, происходящие в мозге при нарушении генетической информации или воздействии лекарств на молекулярную среду.      

Дмитрий Фиалковский

Источник: «Эксперт Северо-Запад»