Supercomputador cria o cérebro virtual mais realista de todos os tempos
Usando a força de um dos supercomputadores mais rápidos do planeta, os cientistas criaram uma das simulações de cérebro animal mais abrangentes e biologicamente realistas já desenvolvidas. Esta reconstrução digital de todo o córtex do rato oferece aos pesquisadores uma nova maneira de explorar a função cerebral, recriando condições como Alzheimer ou epilepsia dentro de um ambiente virtual. Isso permite que eles rastreiem como o dano se move através dos circuitos neurais e investiguem processos envolvidos na cognição e na consciência. A simulação inclui quase dez milhões de neurônios, 26 bilhões de sinapses e 86 regiões cerebrais conectadas, capturando estrutura e atividade em alta resolução.
Esta grande conquista foi possibilitada pelo Supercomputador Fugaku, o principal sistema de alto desempenho do Japão, capaz de realizar quatrilhões de cálculos por segundo. Cientistas do Instituto Allen e Tadashi Yamazaki, Ph.D., da Universidade de Eletrocomunicações do Japão, fizeram parceria com três organizações japonesas adicionais para liderar este trabalho. As conclusões completas serão detalhadas num documento agendado para lançamento na SC25, a principal conferência global de supercomputação que terá lugar em meados de Novembro.
Uma nova maneira de explorar doenças e funções cerebrais
Os pesquisadores podem usar esse córtex virtual para estudar como os distúrbios neurológicos se formam, como as ondas cerebrais contribuem para a atenção e como as convulsões se movem pelas redes neurais. No passado, este tipo de questões exigiam tecido cerebral real e só podiam ser abordadas através de experiências individuais. Com este modelo, os cientistas podem testar muitas ideias num espaço digital. Estas simulações podem oferecer pistas precoces sobre como os distúrbios cerebrais começam antes do aparecimento dos sintomas e fornecer uma forma segura de avaliar potenciais terapias.
“Isto mostra que a porta está aberta. Podemos executar este tipo de simulações cerebrais de forma eficaz com poder computacional suficiente”, disse Anton Arkhipov, Ph.D., investigador do Instituto Allen que trabalhou no projeto. “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.”
Este esforço colaborativo reúne profundo conhecimento da neurociência e o poder de processamento de uma máquina de classe mundial. O Allen Institute contribuiu com a base biológica do cérebro virtual usando dados do Allen Cell Types Database e do Allen Connectivity Atlas, enquanto Fugaku cuidava dos enormes cálculos necessários para gerar o modelo.
Como os pesquisadores criaram toda a simulação do Cortex
O Fugaku, desenvolvido pela RIKEN e pela Fujitsu, está entre os computadores mais rápidos já construídos e pode processar mais de 400 quatrilhões de operações por segundo. Para compreender a escala desse número, contá-lo a uma contagem por segundo levaria 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 a capacidade de longo alcance e o desempenho elevado 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 a resolução de muitos problemas sociais”, disse Yamazaki. “Nesta ocasião, utilizamos o Fugaku para uma simulação de circuito neural.”
O supercomputador é montado a partir de muitas pequenas unidades de processamento chamadas nós. Esses nós são organizados em unidades, prateleiras e racks, formando um sistema de 158.976 nós no total que podem lidar com enormes quantidades de dados e cálculos.
Dos dados biológicos a um córtex digital vivo
Usando o Brain Modeling ToolKit do Allen Institute, a equipe converteu dados biológicos em uma reconstrução digital funcional do córtex. Para simular o comportamento neuronal vivo, uma ferramenta chamada Neulite transformou equações matemáticas em neurônios virtuais capazes de disparar, sinalizar e se comunicar como fazem os neurônios reais.
Assistir à simulação é semelhante a observar a atividade cerebral ao vivo. O modelo reproduz detalhes finos da estrutura dos neurônios, 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, portanto, nos modelos biofisicamente detalhados, acredito.”
“Nosso objetivo a longo prazo é construir modelos cerebrais completos, eventualmente até modelos humanos, usando todos os detalhes biológicos que nosso Instituto está descobrindo”, disse Arkhipov. “Agora estamos passando da modelagem de áreas cerebrais individuais para a simulação de todo o cérebro do rato.” Com sistemas computacionais tão poderosos, a possibilidade de um modelo cerebral completo e biologicamente preciso 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 possível graças a uma equipe internacional que inclui Laura Green, Ph.D.; Beatriz Herrera, Ph.D.; Kael Dai, B.Sc.; Rin Kuriyama, M.Sc.; e Kaaya Akira, Ph.D.
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