Ученые впервые смоделировали фрагмент мозга

Швейцарские нейрофизиологи из проекта Blue Brain впервые создали «черновую» компьютерную модель мозга крысы. Модель включает в себя 31 тысячу нейронов, обладающих суммарно 37 миллионами синапсов. Авторам удалось воспроизвести в компьютерном эксперименте ряд экспериментов in vivo (в живом) и in vitro (в пробирке), в частности, показав способность элементов мозга реагировать на повышение концентрации кальция в среде. Работа опубликована в журнале Cell, кратко о нем рассказывает пресс-релиз университета Лозанны.

Модель, разработанная авторами включает в себя 207 типов нервных клеток, расположенных в соматосенсорном кортексе крысы. Эта часть мозга отвечает за сенсорику прикосновений. Всего модель охватывает объем примерно в 0,3 кубических миллиметров мозга. Работа по созданию модели заняла более 10 лет, в частности, много времени ушло на анализ и подробное описание всех типов нервных клеток.

Для проведения экспериментов над моделью ученые использовали суперкомпьютер Blue Brain IV, входящий в 100 самых производительных суперкомпьютеров. По словам Феликса Шурманна, возглавляющего часть команды, отвечающую за вычисления, для просчета каждого 25-миллисекундного шага в работе искусственного мозга необходимо решать миллиарды уравнений, что возможно только на суперпроизводительных системах.

Авторы провели ряд экспериментов над моделью, в частности, проанализировали влияние различных концентраций кальция на работоспособность мозга. Оказалось, что при высоких концентрациях кальция, которые наблюдаются, например, у спящих животных, вспышки активности нейронов синхронизированы. При понижении концентрации до наблюдаемой у проснувшихся животных исследователи наблюдали рассинхронизацию активности, что соотносится с экспериментальными данными.

Нейрофизиологи выяснили, что существует большое количество клеточных и синаптических механизмов, которые способны смещать мозговую активность от одних задач и областей к другим. По словам ученых, исследование этих механизмов поможет лучше понять как происходит смена активности мозга в ситуациях «бороться или бежать». 

На вопрос о том, почему исследователи выбрали такой сложный организм, как крысу, вместо хорошо изученных червей C.elegans авторы приводят следующий аргумент: мозг крысы гораздо ближе к человеческому мозгу, чем мозг червей. Несмотря на то, что на современном уровне технологий практически невозможно полностью моделировать ни один из биологических объектов, полученные результаты можно будет пробовать расширять на человеческий мозг.