211service.com
Un modello di cervello funzionante
Un progetto ambizioso per creare un modello computerizzato accurato del cervello ha raggiunto un traguardo impressionante. Scienziati in Svizzera che lavorano con i ricercatori IBM hanno dimostrato che la loro simulazione al computer della colonna neocorticale, probabilmente la parte più complessa del cervello di un mammifero, sembra comportarsi come la sua controparte biologica. Dimostrando che la loro simulazione è realistica, dicono i ricercatori, questi risultati suggeriscono che un intero cervello di mammifero potrebbe essere completamente modellato entro tre anni e un cervello umano entro il prossimo decennio.
Potere del cervello: Questa rappresentazione mostra la connettività dei 10.000 neuroni e dei 30 milioni di connessioni che compongono un'unica colonna neocorticale. (I diversi colori corrispondono a diversi livelli di attività elettrica.) Avendo creato un modello computerizzato biologicamente accurato di una colonna neocorticale, gli scienziati stanno ora pianificando di modellare l'intero cervello umano in soli 10 anni.
Quello che stiamo facendo è decodificare il cervello, dice Henry Markram , condirettore del Brain Mind Institute presso l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, in Svizzera, che ha guidato il lavoro, chiamato Cervello Blu progetto, iniziato nel 2005. (Vedi IBM: The Computer Brain .) Imitando il comportamento del cervello fino al singolo neurone, i ricercatori mirano a creare uno strumento di modellazione che può essere utilizzato dai neuroscienziati per eseguire esperimenti, testare ipotesi, e analizzare gli effetti dei farmaci in modo più efficiente di quanto potrebbero utilizzare il tessuto cerebrale reale.
Il modello di una parte del cervello è stato completato l'anno scorso, afferma Markram. Ma ora, dopo numerosi test che hanno confrontato il suo comportamento con i risultati di esperimenti biologici, è convinto che la simulazione sia abbastanza accurata da consentire ai ricercatori di procedere con il resto del cervello.
È un lavoro fantastico, dice Tommaso Serre , un ricercatore di neuroscienze computazionali al MIT. È probabile che questo abbia un enorme impatto sulle neuroscienze.
Il progetto è iniziato con l'obiettivo iniziale di modellare i 10.000 neuroni e i 30 milioni di connessioni sinaptiche che costituiscono la colonna neocorticale di un topo, il principale elemento costitutivo della corteccia di un mammifero. La colonna neocorticale è stata scelta come punto di partenza perché è ampiamente riconosciuta come particolarmente complessa, con una struttura eterogenea costituita da molti diversi tipi di sinapsi e canali ionici. Non ha senso sognare di modellare il cervello se non puoi modellarne una piccola parte, dice Markram.
Il modello stesso si basa su 15 anni di dati sperimentali su morfologia neuronale, espressione genica, canali ionici, connettività sinaptica e registrazioni elettrofisiologiche delle colonne neocorticali dei ratti. Sono stati quindi sviluppati strumenti software per elaborare queste informazioni e ricostruire automaticamente modelli 3D fisiologicamente accurati dei neuroni e delle loro interconnessioni.
Unisci i punti: Una rappresentazione di una colonna neocorticale di mammifero, l'elemento costitutivo di base della corteccia. La rappresentazione mostra la complessità di questa parte del cervello, che ora è stata modellata utilizzando un supercomputer.
Credito: PIL/EPFL
I circuiti neuronali sono stati testati simulando stimoli di input specifici e osservando come si comportavano i circuiti, rispetto a quelli negli esperimenti biologici. Laddove sono emerse lacune nella conoscenza di come avrebbero dovuto comportarsi determinate parti del modello, gli scienziati sono tornati in laboratorio ed hanno eseguito esperimenti per identificare i tipi di comportamento che dovevano essere riprodotti. In effetti, circa un terzo del team di 35 ricercatori era dedicato alla realizzazione di tali esperimenti, afferma Markram.
Attraverso un processo iterativo di test, la simulazione è stata gradualmente perfezionata al punto in cui Markram è sicuro che si comporti come una vera colonna neocorticale.
Tuttavia, nessuno di questi risultati è stato finora pubblicato nella letteratura sottoposta a revisione paritaria, afferma Christof Koch , professore di biologia e ingegneria al Caltech. E questo non è affatto il primo modello computerizzato del cervello, sottolinea. Questo è un processo evolutivo piuttosto che rivoluzionario, dice. Già nel 1989, Koch ha creato una simulazione di 10.000 neuroni, anche se in un modello molto più semplice.
Inoltre, Koch è scettico sulla velocità con cui il modello del cervello può progredire. Qualsiasi affermazione che il cervello umano possa essere modellato entro 10 anni è così ridicola che non vale la pena discuterla, dice.
Il cervello di ratto ha circa 200 milioni di neuroni, mentre il cervello umano ha da 50 a 100 miliardi di neuroni. Questo è un grande aumento, ammette Markram.
Ma è sicuro che il suo modello sia abbastanza robusto da poter essere ampliato all'infinito. Inoltre, ritiene che il livello di dettaglio del modello possa anche essere portato oltre. È a una risoluzione piuttosto alta, dice. È ancora a livello cellulare, ma vogliamo guardare al livello molecolare. Ciò consentirebbe di eseguire test sui farmaci basati sulla simulazione, mostrando come molecole specifiche influenzano proteine, recettori ed enzimi.
Non sarei sorpreso se potessero farlo, dice Serre. Tuttavia, non è chiaro cosa potrebbero ricavarne, dice. Se vuoi che questo modello sia utile, devi essere in grado di capire come il comportamento è correlato a specifiche funzioni cerebrali. Finora, non è chiaro se il progetto Blue Brain abbia fatto questo, dice.