Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Моделирование мозга - это концепция создания функционирующей компьютерной модели мозга или части мозга. [1] Проекты моделирования мозга призваны способствовать полному пониманию работы мозга и, в конечном итоге, также помочь процессу лечения и диагностики заболеваний мозга . [2] [3]

Различные симуляции со всего мира были полностью или частично выпущены с открытым исходным кодом , такие как C. elegans , [4] и Blue Brain Project Showcase. [5] В 2013 году Human Brain Project , который использовал методы, используемые в Blue Brain Project и опираясь на них, [6] создал платформу моделирования мозга (BSP), доступную в Интернете платформу для совместной работы, предназначенную для моделирования моделей мозга. .

Методы [ править ]

Моделирование мозга (или подсистемы мозга) включает моделирование электрических и основных химических свойств нейронов (например, градиентов внеклеточного серотонина ). Также требуется модель нейрального коннектома целевого организма. Коннект является чрезвычайно сложным, и его подробной проводка еще не поняла; таким образом, в настоящее время это моделируется эмпирически на более мелких млекопитающих в рамках таких проектов, как проект Blue Brain . [ необходима цитата ]

Проект «Голубой мозг» намерен создать компьютерную симуляцию кортикального столба млекопитающих до молекулярного уровня. [7] По одной из оценок, полная реконструкция коннектома человека с использованием методологии проекта «Голубой мозг» потребует зеттабайта хранилища данных. [ необходима цитата ]

Примеры [ править ]

Caenorhabditis elegans (аскариды) [ править ]

Мозг карта из C. Элеганс аскариды 302 нейронов, соединено между 5000 синапсами

Связность нейронной цепи для чувствительности к прикосновениям простой нематоды C. elegans (круглого червя) была нанесена на карту в 1985 году [8] и частично смоделирована в 1993 году. [9] С 2004 года было выполнено множество программных симуляций всей нервной и мышечной системы. разработаны, включая моделирование физического окружения червя. Некоторые из этих моделей, включая исходный код , доступны для загрузки. [10] [4] Однако до сих пор отсутствует понимание того, как нейроны и связи между ними генерируют удивительно сложный диапазон поведения, наблюдаемый в относительно простом организме. [11] [12]Этот контраст между кажущейся простотой того, как отображенные нейроны взаимодействуют со своими соседями, и чрезмерной сложностью общей функции мозга является примером эмерджентного свойства . [13] Этот вид эмерджентного свойства аналогичен искусственным нейронным сетям , нейроны которых чрезвычайно просты по сравнению с их часто сложными абстрактными выходами.

Нейронная система дрозофилы [ править ]

Дополнительная информация: Мозг насекомого.

Мозг плодовой мушки Drosophila также был тщательно изучен. Смоделированная модель мозга плодовой мушки предлагает уникальную модель родственных нейронов. [14] Как и круглые черви, это программное обеспечение с открытым исходным кодом . [15]

Картирование и моделирование мозга мыши [ править ]

Генри Маркрэм отображаются типы нейронов в пределах мозга мыши и их соединений между 1995 и 2005. [ править ]

В декабре 2006 года [16] проект Blue Brain завершил моделирование неокортикального столба крысы . Неокортикальный столб считается наименьшей функциональной единицей неокортекса . Неокортекс - это часть мозга, которая, как считается, отвечает за функции более высокого порядка, такие как сознательное мышление, и содержит 10 000 нейронов в мозгу крысы (и 10 8 синапсов ). В ноябре 2007 года [17] проект сообщил о завершении своей первой фазы, предоставляя управляемый данными процесс создания, проверки и исследования неокортикальной колонки.

Искусственная нейронная сеть описывается как «как большие и столь же сложным , как половина мозга мыши» [18] проводился на IBM Blue Gene суперкомпьютере университета исследовательской команды Невада в 2007 году каждый вторые из моделируемого времени заняло десять секунд компьютерное время. Исследователи утверждали, что наблюдали «биологически непротиворечивые» нервные импульсы, проходящие через виртуальную кору. Однако в моделировании отсутствовали структуры, наблюдаемые в мозге реальных мышей, и они предназначены для повышения точности моделей нейронов и синапсов. [19]

В 2019 году Идан Сегев, один из компьютерных нейробиологов, работающих над проектом Blue Brain, выступил с докладом под названием «Мозг в компьютере: чему я научился, моделируя мозг». В своем выступлении он упомянул, что вся кора головного мозга мыши завершена и скоро начнутся виртуальные эксперименты по ЭЭГ. Он также упомянул, что модель стала слишком тяжелой для суперкомпьютеров, которые они использовали в то время, и что они, следовательно, изучали методы, в которых каждый нейрон мог бы быть представлен как нейронная сеть (подробности см. В ссылке). [20]

Голубой мозг и крыса [ править ]

Blue Brain - это проект, запущенный в мае 2005 года IBM и Швейцарским федеральным технологическим институтом в Лозанне . Целью проекта было создать компьютерную симуляцию кортикального столба млекопитающих до молекулярного уровня. [7] В проекте используется суперкомпьютер на основе разработки IBM Blue Gene для моделирования электрического поведения нейронов на основе их синаптической связи и ионной проницаемости. Проект стремится в конечном итоге раскрыть понимание человеческого познания и различных психических расстройств, вызванных неисправными нейронами, такими как аутизм.и понять, как фармакологические агенты влияют на поведение сети.

K компьютер и человеческий мозг [ править ]

В конце 2013 года исследователи из Японии и Германии использовали компьютер K, занимавший в то время четвертый по скорости суперкомпьютер, и программу моделирования NEST для моделирования 1% человеческого мозга. В ходе моделирования была смоделирована сеть, состоящая из 1,73 миллиарда нервных клеток, соединенных 10,4 триллионами синапсов. Чтобы осуществить этот подвиг, программа задействовала 82944 процессора K Computer. Процесс занял 40 минут, чтобы завершить симуляцию 1 секунды активности нейронной сети в реальном, биологическом времени. [21] [22]

Human Brain Project [ править ]

Проект Человеческий мозг (НВР) является 10-летней программы исследований финансируется Европейским Союзом . Он начал свою работу в 2013 году, и в нем работают около 500 ученых со всей Европы. Он включает в себя 6 платформ:

  • Нейроинформатика (общие базы данных),
  • Моделирование мозга
  • Высокопроизводительная аналитика и вычисления
  • Медицинская информатика (база данных пациентов)
  • Нейроморфные вычисления (вычисления, вдохновленные мозгом)
  • Нейроробототехника (моделирование роботов).

Платформа моделирования мозга (BSP) - это устройство для инструментов, доступных в Интернете, которое позволяет проводить исследования, которые невозможны в лаборатории. Они применяют методы синего мозга к другим областям мозга, таким как мозжечок , гиппокамп и базальные ганглии . [23]

Моделирование мозга с открытым исходным кодом [ править ]

Различные модели мозга были выпущены как с открытым исходным кодом (OSS) и доступны на таких сайтах, как GitHub , включая C. Элеганс аскариды, [4] Drosophila плодовая мушка, [15] и модели человеческого мозга Элисия [ 24] и Spaun , [25] , которая является крупнейшей функциональной моделью мозга в мире и на основе Nengo архитектуры программного обеспечения. [26] Витрина проекта Blue Brain Project также демонстрирует, как модели и данные из проекта Blue Brain Project могут быть преобразованы в NeuroML и PyNN ( Pythonмодели нейронных сетей). [5]

Платформа моделирования мозга (BSP) - это открытая платформа для совместной работы, доступная в Интернете, для моделирования мозга, созданная проектом Human Brain Project . [23]

См. Также [ править ]

  • Эмуляция всего мозга

Ссылки [ править ]

  1. ^ Фан, Сюэ; Маркрам, Генри (2019). «Краткая история симуляционной нейробиологии» . Границы нейроинформатики . 13 : 32. DOI : 10,3389 / fninf.2019.00032 . ISSN  1662-5196 . PMC  6513977 . PMID  31133838 .
  2. ^ «Нейроинформатика и проект« Голубой мозг »» . Информатика из технологических сетей . Проверено 30 января 2018 .
  3. ^ Коломбо, М. (2017). Зачем создавать виртуальный мозг? Крупномасштабное нейронное моделирование как толчок для когнитивных вычислений. Журнал экспериментального и теоретического искусственного интеллекта, 29, 361-370. DOI: https://doi.org/10.1080/0952813X.2016.1148076
  4. ^ a b c Симуляция C. Elegans , проект программного обеспечения с открытым исходным кодом на Github
  5. ^ a b «Обзор - Витрина проекта Blue Brain - Мозг с открытым исходным кодом» . Мозг с открытым исходным кодом . Проверено 5 мая 2020 года .
  6. ^ Human Brain Project, Рамочное соглашение о партнерстве https://www.humanbrainproject.eu/documents/10180/538356/FPA++Annex+1+Part+B/41c4da2e-0e69-4295-8e98-3484677d661f Архивировано 02 февраля 2017 г. в Wayback Machine
  7. ^ a b Херпер, Мэтью (6 июня 2005 г.). «IBM стремится имитировать мозг» . Forbes . Проверено 19 мая 2006 .
  8. ^ Chalfie M; Sulston JE; Белый JG; Саутгейт E ; Томсон Дж. Н.; и другие. (Апрель 1985 г.). «Нейронная цепь сенсорной чувствительности у Caenorhabditis elegans» . Журнал неврологии . 5 (4): 956–64. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.05-04-00956.1985 . PMC 6565008 . PMID 3981252 .  
  9. ^ Niebur E; Эрдеш П. (ноябрь 1993 г.). «Теория передвижения нематод: управление соматическими мотонейронами интернейронами». Математические биологические науки . 118 (1): 51–82. DOI : 10.1016 / 0025-5564 (93) 90033-7 . PMID 8260760 . 
  10. ^ Bryden, J .; Коэн, Н. (2004). Schaal, S .; Ijspeert, A .; Billard, A .; Vijayakumar, S .; и другие. (ред.). Имитационная модель контроллеров передвижения нематододы Caenorhabditis elegans . От животных к аниматам 8: Материалы восьмой международной конференции по моделированию адаптивного поведения. С. 183–92.
  11. ↑ Mark Wakabayashi Архивировано 12 мая 2013 года в Wayback Machine , со ссылками на программное обеспечение для моделирования MuCoW, демонстрационным видео и докторской диссертацией «Вычислительная достоверность рецепторов растяжения как основа для управления двигателем в C. elegans , 2006».
  12. ^ Mailler, R .; Avery, J .; Graves, J .; Вилли, Н. (7–13 марта 2010 г.). «Биологически точная трехмерная модель передвижения Caenorhabditis elegans». Международная конференция по бионаукам 2010 г. (PDF) . С. 84–90. DOI : 10.1109 / BioSciencesWorld.2010.18 . ISBN  978-1-4244-5929-2. S2CID  10341946 .
  13. ^ "Как сложное поведение спонтанно возникает в мозгу?" . Проверено 27 февраля 2018 .
  14. ^ Арена, P .; Patane, L .; Термини, PS; Вычислительная модель мозга насекомого, вдохновленная Drosophila melanogaster: результаты моделирования , Международная объединенная конференция по нейронным сетям 2010 г. (IJCNN).
  15. ^ a b [1] , Моделирование мозга плодовой мушки с открытым исходным кодом Neurokernel
  16. ^ "Вехи проекта" . Голубой мозг . Проверено 11 августа 2008 .
  17. ^ "Новости и СМИ" . Голубой мозг . Архивировано из оригинала на 2008-09-19 . Проверено 11 августа 2008 .
  18. ^ "Суперкомпьютер имитирует мозг мыши" . Huffington Post . 2008-03-28 . Проверено 5 июня 2018 .
  19. ^ "Мозг мыши смоделирован на компьютере" . BBC News . 27 апреля 2007 г.
  20. ^ https://www.youtube.com/watch?v=sEiDxti0opE
  21. ^ «Крупнейшее моделирование нейронных сетей на сегодняшний день, достигнутое с использованием японского суперкомпьютера» . ScienceDaily . 2 августа 2013 . Проверено 25 ноября 2020 .
  22. ^ «Крупнейшее моделирование нейронных сетей на сегодняшний день, достигнутое с использованием японского суперкомпьютера» . Jülich Forschungszentrum . 2 августа 2013 . Проверено 25 ноября 2020 .
  23. ^ а б «Платформа моделирования мозга» . Проект человеческого мозга . Проверено 20 января 2018 года .
  24. ^ Элизия
  25. ^ [2] , имитация мозга spaun2.0
  26. ^ Eliasmith, К., Стюарт ТК, Чу Х., Bekolay Т., DeWolf Т., Тан Ю., Расмуссен, D. (2012). Масштабная модель функционирующего мозга. Наука. Vol. 338 нет. 6111 с. 1202-1205. DOI: 10.1126 / science.1225266.