به گزارش«سای‌تک‌دیلی» (SciTechDaily)، پژوهشگران با بهره‌گیری از یکی از سریع‌ترین اَبَررایانه‌های جهان موفق شده‌اند یکی از گسترده‌ترین و دقیق‌ترین شبیه‌سازی‌های بیوفیزیکیِ مغز یک حیوان را تا به امروز ایجاد کنند. این نسخه کاملا دیجیتال از قشر مغز موش، راهی نو برای بررسی عملکرد مغز در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد؛ از بازآفرینی بیماری‌هایی مانند آلزایمر یا صرع در محیطی مجازی گرفته تا مشاهده این‌که آسیب چگونه در شبکه‌های عصبی گسترش می‌یابد یا بررسی فرآیند‌های مرتبط با شناخت و آگاهی.
این مدل هم ساختار و هم فعالیت را بازنمایی می‌کند و شامل نزدیک به ۱۰ میلیون نورون، ۲۶ میلیارد سیناپس و ۸۶ ناحیه مغزی متصل است.
این دستاورد با توان محاسباتی اَبَررایانه «فوگاکو» ممکن شد؛ سامانه پرچم‌دار ژاپنی که قادر است چندین کوادریلیون محاسبه در ثانیه انجام دهد. تیم‌هایی از موسسه آلن (Allen Institute)، همراه با تاداشی یامازاکی از دانشگاه ارتباطات الکترونیکی ژاپن و سه مؤسسه ژاپنی دیگر، در این پروژه همکاری داشتند. جزئیات کامل در مقاله‌ای که قرار است در کنفرانس SC۲۵ – مهم‌ترین کنفرانس جهانی اَبَررایانش – در میانه نوامبر ارائه شود، منتشر خواهد شد.
فوگاکو و تیم بین‌المللی آغازگر افق تازه‌ای در علوم اعصاب
دانشمندان اکنون می‌توانند از این مدل قشر مغز موش برای بررسی این موضوع استفاده کنند که بیماری‌ها چگونه شکل می‌گیرند، امواج مغزی چگونه توجه را پشتیبانی می‌کنند یا تشنج‌ها چگونه در مغز انتشار می‌یابند. پیش از این، چنین پژوهش‌هایی نیازمند بافت واقعی زیستی بودند و تنها یک آزمایش در هر بار امکان‌پذیر بود. این رویکرد جدید به محققان اجازه می‌دهد تا بسیاری از فرضیه‌ها را در فضایی مجازی بیازمایند.
این شبیه‌سازی‌ها ممکن است به کشف نخستین نشانه‌های اختلالات عصبی پیش از بروز علائم کمک کنند و به دانشمندان اجازه دهند درمان‌ها یا روش‌های درمانی بالقوه را با ایمنی بیشتر در محیطی دیجیتال ارزیابی کنند.
«آنتون آرخیپوف» از مؤسسه آلن می‌گوید: «این نشان می‌دهد که در‌ها باز شده‌اند. با توان محاسباتی کافی می‌توانیم چنین شبیه‌سازی‌هایی را به‌طور مؤثر اجرا کنیم. این یک نقطه عطف فناورانه است که به ما اطمینان می‌دهد مدل‌های بسیار بزرگ‌تر نه‌تنها ممکن‌اند بلکه با دقت و مقیاس‌پذیری قابل دستیابی هستن.».
این تلاش بین‌المللی ترکیبی از تخصص عمیق علوم اعصاب و توان محاسباتی پیشرفته است. موسسه آلن چارچوب و جزئیات زیستی مغز دیجیتال را با استفاده از پایگاه داده Allen Cell Types و Allen Connectivity Atlas فراهم کرد، و فوگاکو محاسبات لازم برای تبدیل آن داده‌ها به یک شبیه‌سازی فعال را انجام داد.
ادغام داده‌های زیستی با توان محاسبات عظیم
فوگاکو که به‌طور مشترک توسط بنیاد پژوهشی «ریکن» (RIKEN) و شرکت «فوجیتسو» توسعه یافته، یکی از سریع‌ترین اَبَررایانه‌های جهان است و قادر است بیش از ۴۰۰ کوادریلیون عملیات در ثانیه انجام دهد. برای درک این عدد، اگر از همین لحظه شروع به شمردن کنید (یک عدد در هر ثانیه) بیش از ۱۲.۷ میلیارد سال طول می‌کشد تا به این مقدار برسید (تقریبا برابر سن جهان).
نام فوگاکو از کوه فوجی گرفته شده است، و همانند این کوه، نماد توان عظیم و گسترهٔ وسیع این ابررایانه است.
یامازاکی می‌گوید: «فوگاکو در طیف گسترده‌ای از حوزه‌های علوم محاسباتی مانند اخترشناسی، هواشناسی و کشف دارو مورد استفاده قرار می‌گیرد و به حل بسیاری از مسائل اجتماعی کمک می‌کند. در این پروژه، ما از فوگاکو برای شبیه‌سازی مدار‌های عصبی بهره گرفتیم».
این اَبَررایانه از واحد‌های کوچکی به نام «نُود» تشکیل شده که در لایه‌هایی مانند واحد، قفسه و طاقچه گروه‌بندی می‌شوند. مجموع این اجزا به عدد ۱۵۸ هزار و ۹۷۶ نُود می‌رسد که امکان پردازش حجم عظیمی از داده و محاسبات را فراهم می‌کند.
تیم پژوهش با استفاده از جعبه ابزار مدل‌سازی مغز موسسه آلن داده‌ها را به یک شبیه‌سازی فعال از قشر مغز تبدیل کرد. یک شبیه‌ساز نورونی به نام «نولِیت» (Neulite) معادلات را به نورون‌هایی تبدیل کرد که مانند همتایان زنده خود سیگنال می‌فرستند و با یکدیگر «گفت‌و‌گو» می‌کنند.
تبدیل داده واقعی به یک قشر مغزی مجازی بیو‌فیزیکی و دقیق
تماشای یک قشر مغزی شبیه‌سازی‌شده مانند مشاهده زیست‌شناسی در زمان واقعی است. این مدل ساختار و رفتار واقعی سلول‌های مغزی را بازتاب می‌دهد؛ از شاخه‌های نورونی گرفته تا فعال‌شدن سیناپس‌ها که پیام‌ها را از نورون‌های بالادست به نورون‌های پایین‌دست انتقال می‌دهند و جریان‌های الکتریکی که در سراسر غشا‌ها در نوسان هستند.
یامازاکی می‌گوید: «این یک شاهکار فنی است، اما تنها گام نخست محسوب می‌شود. جزئیات بسیار اهمیت دارند و من به مدل‌های بیوفیزیکیِ دقیق باور دارم».
آرخیپوف نیز می‌گوید: «هدف بلندمدت ما ساخت مدل‌های کل مغز است و در نهایت حتی مدل‌های انسانی، با استفاده از تمام جزئیاتی که مؤسسه ما شناسایی می‌کند. ما اکنون از مدل‌سازی یک ناحیه مغزی به سمت شبیه‌سازی کل مغز یک موش حرکت کرده‌ایم».
با توان محاسباتی در این مقیاس، هدف ساخت یک مدل کامل و بیوفیزیکیِ دقیق از مغز، دیگر یک داستان علمی–تخیلی نیست. دانشمندان اکنون در مرزی تازه قرار دارند؛ جایی که فهم مغز به معنای توانایی ساختن آن است.
انتهای پیام/