Wizualizacja „wirtualnego mózgu” myszy stworzonego za pomocą superkomputera Fugaku, gdzie każdy kolor reprezentuje inny obszar kory mózgowej, a każdy punkt odpowiada symulowanemu neuronowi. Allen Institute
Superkomputer Fugaku po raz pierwszy odtworzył całą korę mózgową myszy: prawie 10 milionów neuronów i 26 miliardów synaps. Postęp ten pomoże w badaniu chorób takich jak Alzheimer czy epilepsja.
Wyścig o zbudowanie najpotężniejszych superkomputerów na świecie trwa od lat. Te kolosalne maszyny pozwalają rozwiązywać problemy naukowe niemożliwe do rozwiązania dla konwencjonalnego komputera: od przewidywania huraganów po projektowanie nowych leków lub modelowanie zachowania wszechświata.
Jednak w tym scenariuszu bezprecedensowego wzrostu, jeśli jest jeden, który się wyróżnia, to jest to japoński Fugaku, jeden z najszybszych, jakie kiedykolwiek zbudowano.
Katy Perry wraca na Ziemię po śpiewaniu podczas podróży kosmicznej Katy Perry wraca na Ziemię po śpiewaniu podczas podróży kosmicznej
Fugaku, opracowany przez RIKEN i Fujitsu, jest w stanie wykonać ponad 400 kwadrylionów operacji na sekundę. Aby to sobie wyobrazić: gdyby ktoś próbował policzyć do tej liczby, wypowiadając jedną cyfrę na sekundę, zajęłoby mu to ponad 12,7 miliarda lat, czyli prawie tyle, ile wynosi wiek wszechświata.
Kolejną imponującą informacją jest to, że składa się on z 158 976 węzłów. Każdy węzeł jest jak mały kompletny komputer z własnym procesorem i pamięcią, co oznacza, że dysponuje prawie 160 000 „mini-maszyn” pracujących jednocześnie. Ta ogromna architektura jest niezbędna do obsługi niezwykle złożonych symulacji, takich jak ta, którą właśnie zrealizował Fugaku: stworzenie największego i najbardziej szczegółowego „wirtualnego mózgu” do tej pory.
10 milionów neuronów i 26 miliardów synaps
Japoński superkomputer po raz pierwszy odtworzył całą korę mózgową myszy, model cyfrowy zawierający prawie dziesięć milionów neuronów, 86 połączonych ze sobą obszarów mózgu i 26 miliardów synaps (punktów połączeń, w których neurony wysyłają sygnały chemiczne lub elektryczne do innych neuronów w celu komunikacji). Postęp ten stanowi przełom w sposobie badania funkcjonowania mózgu i umożliwia symulowanie chorób neurologicznych, takich jak Alzheimer lub epilepsja, w całkowicie wirtualnym środowisku.
W ostatnich latach superkomputery przestały być maszynami zarezerwowanymi dla wiodących ośrodków, a stały się infrastrukturą niezbędną do rozwiązywania problemów niemożliwych do rozwiązania za pomocą konwencjonalnych komputerów.
Projekt, opracowany przez Allen Institute (Stany Zjednoczone) we współpracy z Uniwersytetem Telekomunikacji Elektrycznej w Japonii, przekształca dziesięć lat otwartych danych w funkcjonalną cyfrową kopię kory mózgowej myszy.
Naukowcy wykorzystali bazy danych, takie jak Allen Cell Types Database i Atlas of Mouse Connectivity, aby przełożyć rzeczywistą biologię na równania matematyczne za pomocą Brain Modeling Toolkit. Następnie symulator neuronowy Neulite przekształcił te równania w neurony cyfrowe zdolne do aktywacji, wysyłania impulsów i komunikowania się tak samo jak prawdziwe.
Rezultatem nie jest prosta wizualizacja, ale model odtwarzający zarówno kształt, jak i funkcję kory: od drzewiastej morfologii każdego neuronu po przepływy jonowe i fluktuacje napięcia błony komórkowej. Symulacja pokazuje nawet spontaniczną aktywność mózgu w stanie spoczynku, co ma fundamentalne znaczenie dla badania jego naturalnego funkcjonowania.
Co możemy osiągnąć dzięki temu postępowi
Model ten oferuje naukowcom laboratorium mózgowe w komputerze. Pozwala im obserwować, jak aktywność rozprzestrzenia się między regionami, jak powstaje usterka neuronowa lub jak choroba postępuje poprzez połączenia. Ułatwia również szybkie i bezpieczne testowanie hipotez bez konieczności korzystania z żywej tkanki. Według naukowców tego typu wirtualne eksperymenty mogą przyspieszyć rozwój terapii, ujawnić wzorce, których nie można wykryć w tradycyjnych eksperymentach, oraz poprawić zrozumienie złożonych zaburzeń neurologicznych.
Osoby odpowiedzialne za projekt zapewniają, że to osiągnięcie nie jest końcem, ale początkiem. Teraz, gdy udowodnili, że możliwe jest symulowanie całej kory mózgowej myszy z biochemiczną precyzją, ich kolejnym celem jest stworzenie kompletnego modelu mózgu myszy. A w dłuższej perspektywie czasowej – przejście do symulacji ludzkich, które dziś wydają się jeszcze science fiction, ale już zaczynają się rysować jako realna perspektywa.
