Aproveitando o poder de um dos supercomputadores mais rápidos da Terra, os cientistas criaram uma das simulações mais abrangentes e realistas de cérebros de animais já criadas. Esta reconstrução digital de todo o córtex do rato oferece aos investigadores uma nova forma de explorar a função cerebral, recriando doenças como a doença de Alzheimer ou a epilepsia num ambiente virtual. Ele permite que eles rastreiem como os danos se espalham pelos circuitos neurais e estudem os processos envolvidos na cognição e na consciência. A simulação inclui quase 10 milhões de neurônios, 26 bilhões de sinapses e 86 regiões cerebrais conectadas, capturando estrutura e atividade em alta resolução.
Esta grande conquista foi alcançada pelo supercomputador Fugaku, o principal sistema de alto desempenho do Japão, capaz de realizar petaflops de cálculos por segundo. Cientistas do Instituto Allen e Dr. Tadashi Yamazaki da Universidade de Eletrônica e Tecnologia de Comunicações do Japão lideraram o esforço em colaboração com três outras organizações japonesas. As conclusões completas serão detalhadas num documento a ser divulgado na SC25, a principal conferência mundial de supercomputação, agendada para meados de novembro.
Novas maneiras de explorar doenças e funções cerebrais
Os pesquisadores podem usar esse córtex virtual para estudar como as doenças neurológicas se desenvolvem, como as ondas cerebrais facilitam a atenção e como as crises epilépticas se espalham pelas redes neurais. No passado, tais questões exigiam tecido cerebral real e só podiam ser abordadas através de experiências separadas. Com este modelo, os cientistas podem testar muitas ideias no espaço digital. Estas simulações podem fornecer pistas precoces sobre como as doenças cerebrais começam antes do aparecimento dos sintomas e fornecer uma forma segura de avaliar potenciais tratamentos.
“Isso mostra que a porta está aberta. Podemos executar este tipo de simulação cerebral de forma eficiente com poder computacional suficiente”, disse o Dr. Anton Arkhipov, pesquisador do Instituto Allen envolvido no projeto. “Este é um marco tecnológico que nos dá confiança de que modelos maiores não são apenas possíveis, mas alcançáveis com precisão e escala”.
Este esforço colaborativo reúne profundo conhecimento da neurociência e o poder de processamento de máquinas de classe mundial. O Allen Institute contribuiu para a base biológica do cérebro virtual usando dados do Allen Cell Type Database e do Allen Connectivity Atlas, enquanto Fugaku cuidava da maior parte dos cálculos necessários para gerar o modelo.
Como os pesquisadores criaram simulações de todo o córtex
Desenvolvido pela RIKEN e pela Fujitsu, o Fugaku é um dos computadores mais rápidos já construídos, capaz de processar mais de 400 trilhões de operações por segundo. Para compreender a magnitude deste número, contando uma vez por segundo, seriam necessários mais de 12,7 mil milhões de anos (aproximadamente a idade do Universo: 13,8 mil milhões de anos). O nome do sistema, “Fugaku”, refere-se ao Monte Fuji e reflete as capacidades de longo alcance e o desempenho excepcional da máquina.
“O Fugaku é usado para pesquisas em uma ampla gama de campos da ciência computacional, como astronomia, meteorologia e descoberta de medicamentos, contribuindo para resolver muitos problemas sociais”, disse Yamazaki. “Desta vez, usamos o Fugaku para simulação de circuitos neurais.”
Os supercomputadores são montados a partir de muitas pequenas unidades de processamento chamadas nós. Esses nós são organizados em células, racks e racks, formando um total de 158.976 nós que podem lidar com grandes quantidades de dados e cálculos.
Dos dados biológicos ao córtex digital vivo
Usando o Brain Modeling Toolkit do Allen Institute, a equipe converteu dados biológicos em reconstruções digitais funcionais do córtex. Para simular o comportamento de neurônios vivos, uma ferramenta chamada Neulite transforma equações matemáticas em neurônios virtuais que podem pulsar, sinalizar e se comunicar como neurônios reais.
Assistir à simulação é semelhante a observar a atividade cerebral em tempo real. O modelo reproduz detalhes finos da estrutura neuronal, atividade sináptica e sinalização elétrica através das membranas celulares. “É um feito técnico, mas é apenas o primeiro passo”, disse Yamazaki. “Deus está nos detalhes e, portanto, acredito, nos modelos detalhados da biofísica.”
“Nosso objetivo a longo prazo é construir modelos cerebrais completos e, eventualmente, até modelos humanos, usando todos os detalhes biológicos que nosso instituto está descobrindo”, disse Arkhipov. “Agora estamos passando da simulação de regiões cerebrais individuais para a simulação de todo o cérebro de um camundongo.” Com sistemas de computação tão poderosos, a possibilidade de modelos cerebrais completos e biologicamente precisos está passando do conceito à realidade. Os cientistas estão a entrar numa nova era em que compreender o cérebro também significa ser capaz de construí-lo.
Esta pesquisa de ponta foi possibilitada por uma equipe internacional que inclui a Dra. Laura Green. Beatriz Herrera, Ph.D.; Dekel, BS, BS; Rin Kuriyama, MS; e Kaaya Akira, Ph.D.
