Criar um cérebro virtual pode parecer um pesadelo de ficção científica, mas para os neurocientistas do Japão e da Universidade de Seattle Instituto Allené um grande passo em direção a um sonho antigo.
Eles dizem que sua simulação do córtex do mouse é executada um dos supercomputadores mais rápidos do mundopoderia eventualmente abrir o caminho para a compreensão dos mecanismos por trás de doenças como a doença de Alzheimer e a epilepsia – e talvez desvendar os mistérios da consciência.
“Isso mostra que a porta está aberta”, investigador do Allen Institute Anton Arkhipov disse hoje em um comunicado de imprensa. “É um marco técnico que nos dá a confiança de que modelos muito maiores não só são possíveis, mas também alcançáveis com precisão e escala.”
Arkhipov e seus colegas descrevem o projeto de uma forma artigo de pesquisa sendo apresentado esta semana em St. durante o Conferência SC25 sobre computação de alto desempenho. A simulação modela a atividade de todo o córtex de um rato, abrangendo quase 10 milhões de neurônios conectados por 26 bilhões de sinapses.
Para criar a simulação, os pesquisadores alimentaram dados do Banco de dados de tipos de células Allen e o Atlas de conectividade Allen no Supercomputador Fugaku, um cluster de computação desenvolvido por Fujitsu e do Japão Centro RIKEN de Ciência Computacional. Fugaku é capaz de executar mais de 400 quatrilhões de operações por segundo, ou 400 petaflops.
O enorme conjunto de dados foi traduzido em um modelo 3D usando o Allen Institute’s Kit de ferramentas de modelagem cerebral. Um programa de simulação chamado Neulita deram vida aos dados como neurônios virtuais que interagem entre si como células cerebrais vivas.
Os cientistas executaram o programa em diferentes cenários, incluindo um experimento que usou a configuração Fugaku em escala real para modelar todo o córtex do rato.
“Em nossa simulação, cada neurônio é modelado como uma grande árvore de compartimentos interativos – centenas de compartimentos por neurônio”, disse Arkhipov em comentários enviados por e-mail ao GeekWire. “Ou seja, estamos capturando algumas estruturas e dinâmicas subcelulares dentro de cada neurônio.”
Durante a simulação em escala real, não foram necessários mais de 32 segundos para simular um segundo de atividade em tempo real no cérebro de um rato vivo. “Este nível de desempenho – 32 vezes mais lento que o tempo real – é bastante impressionante para um sistema deste tamanho e complexidade”, disse Arkhipov. “Não é incomum ver um fator milhares de vezes mais lento para simulações tão detalhadas (até mesmo muito menores que as nossas).”
Os investigadores reconhecem que é necessário muito mais trabalho para transformar a sua simulação num modelo capaz de rastrear a evolução de uma doença neurológica. Por exemplo, o modelo não reflete a plasticidade cerebral – isto é, a capacidade do cérebro de religar as suas próprias conexões.
“Se quisermos mencionar algo específico além da plasticidade, então um aspecto que falta são os efeitos dos neuromoduladores, e o outro é que atualmente não temos uma representação muito detalhada dos estímulos sensoriais nas nossas simulações de todo o córtex”, disse Arkhipov. “Para tudo isso, precisamos de muito mais dados do que os disponíveis atualmente para criar modelos muito melhores, embora algumas aproximações ou hipóteses possam ser implementadas e testadas agora que temos uma simulação funcional de todo o córtex.”
Arkhipov disse que o objetivo de longo prazo do projeto é simular um cérebro inteiro, não apenas o córtex. “Há uma distinção entre todo o córtex e todo o cérebro”, ressaltou. “O córtex do rato (e o nosso modelo) contém cerca de 10 milhões de neurónios, enquanto todo o cérebro do rato contém cerca de 70 milhões de neurónios.”
Uma simulação do cérebro humano exigiria um salto ainda maior. Só o córtex humano contém não apenas 10 milhões de neurônios, mas 21 bilhão.
A boa notícia é que um supercomputador suficientemente poderoso pode estar à altura da tarefa. “Nosso trabalho mostra que simulações muito detalhadas de cérebros maiores em nível microscópico podem ser possíveis mais cedo do que o esperado anteriormente”, disse Arkhipov. “Os resultados sugerem que uma simulação de todo o cérebro do macaco (como a de um macaco com 6 mil milhões de neurónios) pode caber no sistema Fugaku em escala real.”
Arkhipov disse que é importante ressaltar que criar um modelo cerebral em um supercomputador “não significa que tal modelo seja completo ou preciso”.
“Aqui estamos falando sobre a viabilidade técnica de simulações, e parece que tais simulações, mesmo na escala do cérebro de um macaco, estão agora ao nosso alcance”, disse ele. “Mas para tornar essas simulações biologicamente realistas, seria necessário realizar muito mais produção de dados experimentais e trabalho de construção de modelos.”
Rin Kuriyama e Kaaya Akira, da Universidade de Eletrocomunicações de Tóquio, são os principais autores do artigo apresentado no SC25, intitulado “Simulação de córtex inteiro de camundongo em nível microscópico composto por 9 milhões de neurônios biofísicos e 26 bilhões de sinapses no supercomputador Fugaku.” Além de Arkhipov, os autores do Instituto Allen incluem Laura Green, Beatriz Herrera e Kael Dai. Os outros autores do estudo são Tadashi Yamazaki e Mari Iura, da Universidade de Eletrocomunicações; Gilles Gouaillardet e Asako Terasawa da Organização de Pesquisa para Ciência e Tecnologia da Informação em Hyogo, Japão; Taira Kobayashi da Universidade Yamaguchi; e Jun Igarashi do Centro RIKEN de Ciência Computacional.
