قام فريق عالمي بتسخير الكمبيوتر العملاق Fugaku لبناء أحد أكبر نماذج قشرة الفأرة الافتراضية وأكثرها واقعية على الإطلاق.

يتصرف الدماغ الرقمي كعقل حقيقي، مما يسمح للعلماء بدراسة تطور المرض، والديناميكيات العصبية، والعلاجات المحتملة بأمان في السيليكو. ومن خلال الجمع بين مجموعات البيانات البيولوجية وبرمجيات النمذجة القوية، أثبت الفريق الدولي أن نماذج الدماغ الدقيقة من الناحية الفيزيائية الحيوية واسعة النطاق أصبحت الآن ممكنة.

اختراق محاكاة القشرة الكاملة التي تعمل بالكمبيوتر العملاق

من خلال تسخير قوة أحد أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة على وجه الأرض، ابتكر الباحثون واحدة من أكثر عمليات محاكاة دماغ الحيوان واقعيةً واتساعًا وتفصيلاً من الناحية الفيزيائية الحيوية حتى الآن. هذه النسخة الرقمية بالكامل من قشرة الفأر تمنح العلماء طريقة جديدة لاستكشاف كيفية عمل الدماغ من خلال إعادة خلق ظروف مثل: مرض الزهايمر أو الصرع في بيئة افتراضية. يمكنهم ملاحظة كيفية انتقال الضرر عبر الشبكات العصبية أو فحص العمليات المتعلقة بالإدراك والوعي. يلتقط النموذج كلاً من البنية والنشاط، ويتضمن ما يقرب من عشرة ملايين خلية عصبية، و26 مليار مشبك عصبي، و86 منطقة دماغية متصلة.

لقد أصبح هذا الإنجاز ممكنا بفضل كمبيوتر فوجاكو العملاق، النظام الرائد في اليابان القادر على إجراء كوادريليون من العمليات الحسابية في الثانية. فرق من معهد ألينبالتعاون مع تاداشي يامازاكي، دكتوراه، من جامعة الاتصالات الكهربائية اليابانية وثلاث مؤسسات يابانية إضافية، تعاونوا في إحياء المشروع. سيتم عرض التفاصيل الكاملة في ورقة قادمة في SC25، المؤتمر العالمي الرائد للحوسبة الفائقة والذي سيعقد في منتصف نوفمبر.

فوجاكو والفريق العالمي يقودان حدودًا جديدة لعلم الأعصاب

يمكن للعلماء الآن استخدام هذا النموذج من قشرة الفأر لاستكشاف كيفية تطور الأمراض، وكيف تدعم موجات الدماغ الانتباه، أو كيف تتحرك النوبات عبر الدماغ. في السابق، كانت مثل هذه الدراسات تتطلب أنسجة بيولوجية حقيقية، وكان من الممكن إجراء تجربة واحدة فقط في كل مرة. باستخدام هذا النهج الجديد، يمكن للباحثين التحقيق في العديد من الأفكار في الفضاء الافتراضي. قد تساعد عمليات المحاكاة في الكشف عن العلامات المبكرة للاضطرابات العصبية قبل ظهور الأعراض وتمكين العلماء من تقييم العلاجات أو العلاجات المحتملة بأمان في بيئة رقمية.

قال أنطون أرخيبوف، الباحث في معهد ألين والذي عمل في المشروع: “هذا يدل على أن الباب مفتوح. يمكننا تشغيل هذه الأنواع من محاكاة الدماغ بفعالية باستخدام قوة حاسوبية كافية”. “إنه إنجاز تقني يمنحنا الثقة في أن النماذج الأكبر حجمًا ليست ممكنة فحسب، بل يمكن تحقيقها بالدقة والحجم.”

يجمع هذا الجهد الدولي بين الخبرة العميقة في علم الأعصاب وقدرات الحوسبة المتقدمة. قدم معهد ألين الإطار والتفاصيل البيولوجية للدماغ الرقمي باستخدام بيانات من قاعدة بيانات أنواع خلايا ألين و أطلس الاتصال ألينونفذ فوجاكو الياباني الحسابات التي حولت تلك المعلومات إلى محاكاة فعالة.

دمج البيانات البيولوجية مع قوة الحوسبة الهائلة

يعد Fugaku، الذي تم تطويره بشكل مشترك بواسطة RIKEN وFujitsu، واحدًا من أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم حيث يمكنه إجراء أكثر من 400 كوادريليون عملية في الثانية. لوضع ذلك في الاعتبار، إذا بدأت العد الآن، واحدًا تلو الآخر في الثانية، فسوف يستغرق الأمر أكثر من 12.7 مليار سنة للوصول إلى هذا الرقم (تقريبًا عمر الكون: 13.8 مليار سنة). يأتي “فوجاكو” من جبل فوجي، وتمامًا مثل قمة الجبل العالية وقاعدته العريضة، تم اختياره ليرمز إلى قوته وامتداده الواسع.

وقال يامازاكي: “يتم استخدام فوجاكو للبحث في مجموعة واسعة من مجالات العلوم الحسابية، مثل علم الفلك والأرصاد الجوية واكتشاف الأدوية، مما يساهم في حل العديد من المشكلات المجتمعية”. “في هذه المناسبة، استخدمنا فوجاكو لمحاكاة الدائرة العصبية.”

يتكون الكمبيوتر العملاق من أجزاء صغيرة تسمى العقد، والتي يتم تجميعها معًا في طبقات مثل الوحدات والأرفف والرفوف. تضيف هذه المكونات معًا ما يصل إلى إجمالي 158,976 عقدة، مما يسمح لـ Fugaku بإدارة حجم هائل من البيانات والحسابات.

باستخدام معهد ألين مجموعة أدوات نمذجة الدماغقام الفريق بترجمة البيانات إلى محاكاة رقمية للقشرة الدماغية. محاكاة الخلايا العصبية, نيوليت، حولت المعادلات إلى خلايا عصبية تصدر إشارات وثرثرة تمامًا مثل نظيراتها الحية.

تحويل البيانات الحقيقية إلى قشرة افتراضية دقيقة من الناحية الفيزيائية الحيوية

إن مشاهدة محاكاة لقشرة الفأر تشبه مشاهدة علم الأحياء في الوقت الفعلي. فهو يلتقط البنية والسلوك الفعليين لخلايا الدماغ، وصولا إلى الفروع القادمة من الخلايا العصبية، وتنشيط المشابك العصبية – الاتصالات الصغيرة التي تنقل الرسائل من الخلايا العصبية الأولية إلى فروع الخلايا العصبية النهائية – وانحسار وتدفق الإشارات الكهربائية عبر الأغشية. وقال يامازاكي: “إنه إنجاز تقني، لكنه مجرد خطوة أولى”. “الله موجود في التفاصيل، لذلك أعتقد أنه في النماذج الفيزيائية الحيوية التفصيلية،”

وقال أرخيبوف: “إن هدفنا على المدى الطويل هو بناء نماذج للدماغ الكامل، وحتى نماذج بشرية في نهاية المطاف، باستخدام جميع التفاصيل البيولوجية التي يكشف عنها معهدنا”. “نحن ننتقل الآن من نمذجة مناطق دماغية واحدة إلى محاكاة دماغ الفأر بأكمله.” مع هذا النوع من القوة الحسابية، فإن الهدف المتمثل في إنشاء نموذج دماغي كامل ودقيق من الناحية الفيزيائية الحيوية لم يعد مجرد خيال علمي بعد الآن. لقد وصل العلماء إلى حدود جديدة حيث يعني فهم الدماغ، بكل معنى الكلمة، القدرة على بناء واحد.

الاجتماع: SC25

تم إجراء هذا البحث المتطور بفضل فريق دولي يضم لورا جرين، دكتوراه؛ بياتريس هيريرا، دكتوراه؛ كايل داي، بكالوريوس؛ ورين كورياما، ماجستير؛ وكايا أكيرا، دكتوراه.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.