Моделирование мозга с помощью IBM

Корпорация IBM и Федеральный политехнический университет Лозанны (Ecole Polytechnique Fеdеrale de Lausanne, EPFL) представили крупномасштабную совместную исследовательскую инициативу под условным названием Blue Brain Project, призванную вывести на новый уровень исследования мозга.

В течение следующих двух лет ученые обеих организаций, используя колоссальные вычислительные мощности суперкомпьютера IBM eServer Blue Gene, будут совместно создавать детальную модель нейронной структуры новой коры головного мозга (неокортекса), самой большой и самой сложной части человеческого мозга. Постепенно включая в проект моделирование других частей мозга, ученые, в конечном счете, надеются построить точную компьютерную модель мозга в целом.

По сути, мы не так много мало знаем о том, как работает мозг. С помощью этой модели ученые смогут осуществлять компьютерное моделирование работы мозга на молекулярном уровне для выяснения того, как устроены такие внутренние процессы, как мышление, понимание и память. Ученые также надеются лучше понять, как и почему в мозгу происходят сбои определенных микроцепей, являющиеся причиной таких психиатрических расстройств, как аутизм, шизофрения и депрессия.

"Моделирование мозга на клеточном уровне — это сложнейшая задача, требующая учета сотен тысяч параметров, — говорит глава проекта, профессор EPFL Генри Маркрам (Henry Markram). — IBM имеет уникальный опыт в моделировании биологических процессов и самых совершенных суперкомпьютерных технологиях. Соединяя наши ресурсы и опыт, мы приступаем к одной из самых амбициозных исследовательских инициатив в истории нейробиологии."

Профессор Маркрам является основателем Института мозга и мышления EPFL, где за более чем 10 лет исследований и лабораторных экспериментов накоплен самый полный в мире комплекс эмпирических данных по микроархитектуре неокортекса.

Исследователи IBM планируют, используя свой опыт моделирования сложных биологических систем, построить на основе этих данных действующую трехмерную модель, воссоздающую высокоскоростные внутримозговые электрохимические взаимодействия. Система, работающая на 4 стойках Blue Gene, позволит осуществлять трехмерное моделирование происходящих в мозгу процессов с недостижимой до сих пор точностью.

"Значительно превосходя по быстродействию все другие существующие в мире суперкомпьютерные системы, Blue Gene предоставляет в распоряжение ученых беспрецедентные вычислительные возможности, — заявил Тилак Агервала (Tilak Agerwala), вице-президент IBM Research по системам. — Важна даже не сама чистая производительность, а ее применение для ускорения инноваций и открытий в науке, технике и бизнесе".

Д-р Маркрам ожидает, что применение суперкомпьютера Blue Gene для проведения экспериментов в реальном времени позволит существенно ускорить темпы исследований мозга. "При наличии точной компьютерной модели мозга значительную часть предварительных проверок и работы по планированию, которые обычно требуются для крупного эксперимента, можно осуществлять "в цифровом виде", а не в лаборатории. В некоторых случаях, по нашим оценкам, Blue Gene позволит за несколько секунд проводить работу, которая в лаборатории потребовала бы целого дня исследований".

Система, которая будет установлена в EPFL, будет сравнима по размерам с четырьмя бытовыми холодильниками и при пиковой вычислительной производительности не менее 22,8 триллионов операций с плавающей запятой в секунду (22,8 терафлопс) станет одним из наиболее мощных суперкомпьютеров в мире.

На первом этапе проекта планируется построить программную модель одной колонки — элементарного модуля неокортекса. Неокортекс составляет около 85% общей массы головного мозга человека. Именно его считают ответственным за когнитивные функции — язык, обучение, память и сложное мышление. Точная модель колонки неокортекса — это необходимый первый шаг к моделированию мозга в целом и "мостик", связывающий генетический, молекулярный и когнитивный уровни функционирования мозга. На втором и последующих этапах планируется расширить модель, включив в нее цепи из других участков мозга, а, в конечном счете, весь мозг в целом.

В соответствии с соглашением, заключенным с IBM, часть времени Blue Gene будет выделяться на другие перспективные исследовательские проекты. В рамках одного из таких проектов исследователи Цюрихской лаборатории IBM вместе с учеными из институтов физики сложных материалов и наноструктурной физики EFPL будут заниматься исследованиями будущих полупроводниковых технологий, идущих на смену КМОП, способных обеспечить дальнейшее уменьшение размеров полупроводниковых компонентов и процессоров — в частности, углеродных нанотрубок.

Другая группа исследователей EPFL будет с помощью Blue Gene изучать возможности плазменных технологий получения энергии. Еще одна группа будет использовать Blue Gene для исследования конформаций белковых молекул и их роли в развитии болезни Крейцфельда-Якоба (коровьего бешенства) и других заболеваний.