Ο υπερυπολογιστής Fugaku δημιουργεί τον πιο ρεαλιστικό εικονικό εγκέφαλο μέχρι σήμερα
Η ιδέα ενός πλήρως ψηφιακού εγκεφάλου υπήρξε για χρόνια ένας άπιαστος στόχος για τους επιστήμονες σε παγκόσμιο επίπεδο. Ωστόσο, μια διεθνής ερευνητική συνεργασία, με επικεφαλής το Allen Institute και την υπολογιστική ισχύ του ιαπωνικού υπερυπολογιστή Fugaku, άλλαξε τα δεδομένα.
Οι ερευνητές παρουσίασαν την πιο λεπτομερή προσομοίωση φλοιού εγκεφάλου ποντικού που έχει δημιουργηθεί μέχρι σήμερα, ένα ψηφιακό μοντέλο με σχεδόν δέκα εκατομμύρια νευρώνες και 26 δισεκατομμύρια συνάψεις, ικανό να συμπεριφέρεται σαν ζωντανό σύστημα.
Πρόκειται για μια ανακατασκευή με βιοφυσική ακρίβεια, που αναπαράγει ακόμα και τις διακυμάνσεις της μεμβρανικής τάσης στα διαφορετικά διαμερίσματα των δενδριτικών δομών κάθε νευρώνα. Το αποτέλεσμα μοιάζει με μια εκδοχή mini-Pandora του νευρικού συστήματος: εκατομμύρια ψηφιακοί νευρώνες εκτοξεύουν παλμούς, συνδέονται μεταξύ τους, σχηματίζουν κυκλώματα και παράγουν αυθόρμητη δραστηριότητα, όπως θα έκανε ο φλοιός εγκεφάλου σε κατάσταση ηρεμίας.
Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες μπορούν να παρακολουθήσουν φαινόμενα όπως η εξάπλωση ενός επεισοδίου επιληψίας ή η προοδευτική νευροεκφυλιστική καταστροφή που χαρακτηρίζει τη νόσο Alzheimer, βήμα προς βήμα και χωρίς να χρειάζεται να κάνουν χιλιάδες επεμβατικές δοκιμές σε πραγματικό ιστό.
Το τεχνικό κατόρθωμα που επιτρέπει όλο αυτό ανήκει στον Fugaku, έναν από τους ταχύτερους υπερυπολογιστές στον κόσμο, ο οποίος μπορεί να εκτελεί πάνω από 400 τετρακις εκατομμύρια υπολογισμούς το δευτερόλεπτο. Αναλογιστείτε το μέγεθος: αν κάποιος προσπαθούσε να μετρήσει μέχρι τον αριθμό αυτό με ρυθμό ένα νούμερο ανά δευτερόλεπτο, θα χρειαζόταν περισσότερο από 12,7 δισεκατομμύρια χρόνια, σχεδόν όση και η ηλικία του Σύμπαντος.
Ο Fugaku, δημιουργία των RIKEN και Fujitsu, χρησιμοποιείται συνήθως για πολύπλοκες προσομοιώσεις, από κλιματικά μοντέλα μέχρι ανακαλύψεις νέων φαρμάκων. Στην προκειμένη περίπτωση, η τερατώδης υπολογιστική του ισχύς αξιοποιήθηκε για να επεξεργαστεί την τεράστια ποσότητα βιολογικών δεδομένων που συνέλεξε το Allen Institute μέσω έργων όπως το Allen Cell Types Database και το Allen Connectivity Atlas.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το Brain Modeling ToolKit για να μετατρέψουν τα δεδομένα αυτά σε ψηφιακές αναπαραστάσεις νευρικών κυττάρων. Έπειτα, με τη βοήθεια του Neulite, μετέτρεψαν μαθηματικά μοντέλα σε λειτουργικούς εικονικούς νευρώνες, ικανούς να μεταδίδουν ηλεκτρικά σήματα και να επικοινωνούν όπως οι πραγματικοί.
Η προσομοίωση δεν είναι απλώς μια οπτική απεικόνιση, αλλά λειτουργεί σαν ζωντανός εγκέφαλος, επιτρέποντας στους επιστήμονες να παρατηρήσουν την εξάπλωση σημειολογικών μοτίβων, την εξέλιξη της δραστηριότητας των δικτύων, ακόμη και τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται κύματα προσοχής.
Για τον Anton Arkhipov, έναν από τους κύριους επιστημονικούς υπευθύνους, πρόκειται για μια ιστορική στιγμή: «Αυτή η δουλειά δείχνει ότι έχουμε πλέον την υποδομή να τρέξουμε προσομοιώσεις εγκεφάλου τέτοιας κλίμακας. Δεν είναι απλώς εφικτές· μπορούν να γίνουν με ακρίβεια». Η τοποθέτησή του υπογραμμίζει ότι το έργο αυτό δεν είναι ο στόχος αλλά η αρχή, ένα βήμα προς ακόμη μεγαλύτερες προσομοιώσεις, ίσως κάποια μέρα ακόμη και ενός πλήρους ανθρώπινου εγκεφάλου.
Από την πλευρά του, ο Tadashi Yamazaki, ο οποίος ηγήθηκε της ιαπωνικής ερευνητικής ομάδας, τονίζει την αξία της λεπτομέρειας. «Ο Θεός βρίσκεται στις λεπτομέρειες», ανέφερε, επισημαίνοντας πως η βιοφυσική πιστότητα του μοντέλου το κάνει πραγματικό εργαλείο επιστημονικής ανακάλυψης.
Η σημασία αυτής της προσομοίωσης δεν περιορίζεται στην κατανόηση του εγκεφάλου. Ανοίγει νέους δρόμους για την έρευνα νευρολογικών παθήσεων, επιτρέποντας δοκιμές υποθέσεων χωρίς δεοντολογικά εμπόδια και επιτρέποντας στους επιστήμονες να μελετήσουν σχεδόν σε πραγματικό χρόνο πώς εκδηλώνονται τα πρώτα σημάδια δυσλειτουργίας.
Αν, για παράδειγμα, οι ερευνητές θέλουν να κατανοήσουν πώς εξαπλώνεται η παθολογία στη Νόσο Alzheimer ή πώς ένα εστιακό σημείο στον φλοιό μπορεί να οδηγήσει σε γενικευμένη κρίση επιληψίας, το μοντέλο μπορεί να τους το δείξει, όχι ως θεωρητικό γράφημα, αλλά ως μια αναπαράσταση δικτύων που εκρήγνυνται σε δραστηριότητα.
Το project αναμένεται να παρουσιαστεί αναλυτικά στο SC25, το κορυφαίο συνέδριο υπερυπολογιστικών συστημάτων, με τη συνεισφορά μιας μεγάλης ομάδας επιστημόνων, μεταξύ αυτών και οι Laura Green, Beatriz Herrera, Kael Dai, Rin Kuriyama και Kaaya Akira.
Το μεγάλο ερώτημα είναι τι έρχεται μετά. Για το Allen Institute, ο απώτερος στόχος είναι η δημιουργία ενός πλήρους ψηφιακού μοντέλου εγκεφάλου, αρχικά του ποντικού και, κάποια στιγμή στο μέλλον, του ανθρώπου.
