Usando o poder de um dos supercomputadores mais rápidos do planeta, os cientistas criaram a simulação de cérebro animal mais abrangente e biologicamente realista já criada. 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 em um ambiente virtual. Isso lhes permite rastrear como o dano viaja através dos circuitos neurais e investigar processos envolvidos na cognição e na consciência. A simulação contém aproximadamente 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 Allen Institute e Tadashi Yamazaki, Ph.D., da Universidade de Eletrocomunicações do Japão, fizeram parceria com três organizações japonesas adicionais para liderar o trabalho. Os resultados completos serão detalhados em um artigo agendado para publicação na SC25, a principal conferência global de supercomputação que será realizada 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 desenvolvem, como as ondas cerebrais contribuem para a atenção e como as convulsões se movem pelas redes neurais. No passado, estes tipos de questões exigiam tecido cerebral real e só podiam ser abordadas através de experiências individuais. Com este modelo, os cientistas podem testar muitas ideias no espaço digital. Essas simulações podem fornecer pistas precoces sobre como os distúrbios cerebrais começam antes do aparecimento dos sintomas e fornecer uma maneira segura de avaliar possíveis terapias.
“Isso mostra que a porta está aberta. Podemos executar efetivamente esses tipos de simulações cerebrais com poder computacional suficiente”, disse Anton Arkhipov, Ph.D., investigador do Instituto Allen que trabalhou no projeto. “Este é um marco tecnológico que nos dá confiança de que modelos muito maiores não só são possíveis, mas também alcançáveis com precisão e escala.”
Este esforço colaborativo combina profundo conhecimento da neurociência e o poder de processamento de uma máquina de classe mundial. O Allen Institute contribuiu para a base biológica do cérebro virtual usando dados do Allen Cell Types Database e do Allen Connectivity Atlas, enquanto Fugaku conduziu os enormes cálculos necessários para construir o modelo.
Como os pesquisadores criaram simulações de córtex inteiro
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 captar a escala destes números, um cálculo por segundo levaria mais de 12,7 mil milhões de anos (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 enorme desempenho da máquina.
“O Fugaku é usado para pesquisas em uma ampla gama de campos da ciência computacional, como astronomia, meteorologia e descoberta de medicamentos, que contribuem para resolver muitos problemas sociais”, disse Yamazaki. “Nesta ocasião, usamos o Fugaku para uma simulação de circuito neural.”
Os supercomputadores são montados 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 grandes quantidades de dados e computação.
Dos dados biológicos a um 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 neuronal vivo, uma ferramenta chamada Neulite transforma equações matemáticas em neurônios virtuais capazes de disparar, sinalizar e se comunicar como neurônios reais.
Assistir à simulação é como observar a atividade cerebral ao vivo. O modelo reproduz detalhes finos da estrutura dos neurônios, atividade de sinapses e sinais elétricos através da membrana celular. “É uma conquista técnica, mas é apenas o primeiro passo”, disse Yamazaki. “Deus está nos detalhes, portanto, em modelos biologicamente detalhados, acredito.”
“Nosso objetivo a longo prazo é usar todos os detalhes biológicos que nosso instituto está descobrindo para construir modelos cerebrais completos, eventualmente até mesmo modelos humanos”, disse Arkhipov. “Agora passamos da modelagem de regiões 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 entrando em uma nova era em que compreender o cérebro significa ser capaz de construí-lo.
Esta investigação de ponta foi possível graças a uma equipa internacional que inclui Laura Green, PhD; Beatriz Herrera, Ph.D.; Kyle Dai, bacharelado; Rin Kuriyama, MSc; e Kaya Akira, Ph.D.
