211service.com
En fungerande hjärnmodell
Ett ambitiöst projekt för att skapa en korrekt datormodell av hjärnan har nått en imponerande milstolpe. Forskare i Schweiz som arbetar med IBM-forskare har visat att deras datorsimulering av den neokortikala kolumnen, utan tvekan den mest komplexa delen av ett däggdjurs hjärna, verkar bete sig som dess biologiska motsvarighet. Genom att visa att deras simulering är realistisk, säger forskarna, tyder dessa resultat på att en hel däggdjurshjärna skulle kunna modelleras helt inom tre år och en mänsklig hjärna inom det kommande decenniet.
Hjärnkraft: Denna representation visar anslutningen av de 10 000 neuronerna och 30 miljoner anslutningarna som utgör en enda neokortikal kolumn. (De olika färgerna motsvarar olika nivåer av elektrisk aktivitet.) Efter att ha skapat en biologiskt korrekt datormodell av en neokortikal kolonn planerar forskare nu att modellera hela den mänskliga hjärnan inom bara 10 år.
Det vi gör är att omvända hjärnan, säger Henry Markram , meddirektör för Brain Mind Institute vid Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, i Schweiz, som ledde arbetet, kallade Blå hjärna projekt, som startade 2005. (Se IBM: The Computer Brain .) Genom att efterlikna hjärnans beteende ner till den individuella neuronen, siktar forskarna på att skapa ett modelleringsverktyg som kan användas av neurovetare för att köra experiment, testa hypoteser, och analysera effekterna av droger mer effektivt än de kunde med hjälp av riktig hjärnvävnad.
Modellen av en del av hjärnan blev färdig förra året, säger Markram. Men nu, efter omfattande tester som jämför dess beteende med resultat från biologiska experiment, är han nöjd med att simuleringen är tillräckligt korrekt för att forskarna ska kunna fortsätta med resten av hjärnan.
Det är fantastiskt arbete, säger Thomas Serre , en beräkningsneurovetenskaplig forskare vid MIT. Detta kommer sannolikt att ha en enorm inverkan på neurovetenskapen.
Projektet började med det initiala målet att modellera de 10 000 nervcellerna och 30 miljoner synaptiska anslutningarna som utgör en råttas neokortikala kolumn, den huvudsakliga byggstenen i ett däggdjurs cortex. Den neokortikala kolonnen valdes som utgångspunkt eftersom den är allmänt erkänd som särskilt komplex, med en heterogen struktur bestående av många olika typer av synaps- och jonkanaler. Det är ingen idé att drömma om att modellera hjärnan om du inte kan modellera en liten del av den, säger Markram.
Själva modellen är baserad på 15 års experimentella data om neuronal morfologi, genuttryck, jonkanaler, synaptisk anslutning och elektrofysiologiska inspelningar av neokortikala kolumner av råttor. Mjukvaruverktyg utvecklades sedan för att bearbeta denna information och automatiskt rekonstruera fysiologiskt korrekta 3D-modeller av neuroner och deras sammankopplingar.
Koppla ihop prickarna: En representation av en neokortikal kolonn från däggdjur, den grundläggande byggstenen i cortex. Representationen visar komplexiteten i denna del av hjärnan, som nu har modellerats med hjälp av en superdator.
Kredit: GDP/EPFL
De neuronala kretsarna testades genom att simulera specifika inputstimuli och se hur kretsarna betedde sig, jämfört med de i biologiska experiment. Där kunskapsluckor uppstod om hur vissa delar av modellen skulle bete sig, gick forskarna tillbaka till labbet och utförde experiment för att identifiera den typ av beteende som behövde reproduceras. Faktum är att ungefär en tredjedel av teamet på 35 forskare ägnade sig åt att utföra sådana experiment, säger Markram.
Genom en iterativ testprocess har simuleringen gradvis förfinats till den punkt där Markram är säker på att den beter sig som en riktig neokortikal kolonn.
Men inget av dessa resultat har hittills publicerats i den peer-reviewed litteraturen, säger Christof Koch , professor i biologi och teknik vid Caltech. Och det här är absolut inte den första datormodellen av hjärnan, påpekar han. Det här är en evolutionär process snarare än en revolutionär, säger han. Så länge sedan som 1989 skapade Koch en 10 000-neuronsimulering, om än i en mycket enklare modell.
Dessutom är Koch skeptisk till hur snabbt hjärnmodellen kan utvecklas. Alla påståenden om att den mänskliga hjärnan kan modelleras inom 10 år är så löjliga att de inte är värda att diskutera, säger han.
Råtthjärnor har cirka 200 miljoner neuroner, medan mänskliga hjärnor har i området 50 till 100 miljarder neuroner. Det är en stor uppskalning, medger Markram.
Men han är övertygad om att hans modell är robust nog att byggas ut på obestämd tid. Dessutom tror han att detaljnivån i modellen också kan tas längre. Det är i ganska hög upplösning, säger han. Det är fortfarande på cellnivå, men vi vill titta på molekylär nivå. Att göra det skulle möjliggöra simuleringsbaserad drogtester genom att visa hur specifika molekyler påverkar proteiner, receptorer och enzymer.
Jag skulle inte bli förvånad om de kunde göra det, säger Serre. Det är dock inte klart vad de kan få ut av det, säger han. Om du vill att den här modellen ska vara användbar måste du kunna förstå hur beteendet relaterar till specifika hjärnfunktioner. Än så länge är det inte klart att Blue Brain-projektet har gjort detta, säger han.