Symulacje pomagają nam zrozumieć, jak działa mózg
Ludzki mózg jest niezwykle złożony. Mimo że składa się on z 86 miliardów neuronów ze 150 bilionami wzajemnych połączeń, do funkcjonowania potrzebuje zaledwie tyle energii, ile zasila typową żarówkę LED. Ale nie dajmy się zwieść tej efektywności energetycznej. „Mózg zawiera tak dużo informacji, że nawet dysponując mocą wszystkich dostępnych centrów danych na świecie, nie dałoby się symulować mózgu choćby jednej osoby na poziomie molekularnym”, opowiada Petra Ritter, dyrektor Sekcji Symulacji Mózgu z Charité – Universitätsmedizin Berlin. „Nawet gdyby stworzenie takiej symulacji było fizycznie możliwe, pochłaniałaby ona ogromne ilości energii”. Przy wsparciu projektu BrainModes Ritter oraz badacze z Sekcji Symulacji Mózgu postanowili opracować bardziej wydajny sposób symulowania pracy mózgu. „Symulacja mózgu pomaga nam zrozumieć, w jaki sposób działa nasz mózg, a także opracowywać spersonalizowane sposoby leczenia chorób związanych z mózgiem”, dodaje Ritter.
Wirtualny mózg
W projekcie BrainModes wykorzystano indywidualne dane z obrazowania; jest to typ informacji gromadzonych podczas obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI), pozytonowej tomografii emisyjnej (PET), elektroencefalografii (EEG) oraz magnetoencefalografii (MEG) w celu tworzenia cyfrowych kopii mózgu danej osoby. „Te spersonalizowane obliczeniowe modele mózgu, nazywane przez nas wirtualnymi mózgami, pozwalają użytkownikom na wnioskowanie na temat wieloskalowych mechanizmów funkcji mózgu”, wyjaśnia Ritter. Na przykład w trakcie projektu badacze wykazali, w jaki sposób można wnioskować na temat wieloskalowych mechanizmów neuronalnych na podstawie modelowania sieci mózgowej. Badacze z projektu rozbudowali również internetową platformę The Virtual Brain, która umożliwia naukowcom badającym kwestie związane ze zdrowiem łatwe tworzenie symulacji mózgu. Na platformie dodano funkcję symulowania mózgu w różnych stopniach szczegółowości. To wieloskalowe narzędzie do współsymulacji dostępne jest obecnie za pośrednictwem EBRAINS. Ponieważ te narzędzia do symulacji wykorzystują dane pacjentów i funkcjonują w chmurze, badacze musieli dopilnować, by narzędzia były zgodne z ogólnym rozporządzeniem o ochronie danych (RODO). „Dzięki zastosowaniu kompleksowego szyfrowania, kontroli dostępu oraz środowiska testowego nie tylko przestrzegamy postanowień RODO, ale też zapewniamy pełną ochronę wszystkim przesyłanym danym”, zauważa Ritter. Wykorzystując element ochrony danych z projektu BrainModes, Ritter koordynuje obecnie finansowany ze środków Unii Europejskiej projekt VirtualBrainCloud, którego celem jest stworzenie bezpiecznej infrastruktury badawczej w chmurze na potrzeby złożonych symulacji z wykorzystaniem danych dotyczących zdrowia.
Święty Graal neuronauki
Zespół projektu BrainModes, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, jako pierwszy z powodzeniem wnioskował na temat złożonych zasad funkcji mózgu, wykorzystując spersonalizowane wieloskalowe symulacje mózgu. „Symulowanie ludzkiego mózgu to Święty Graal neuronauki – to pionierskie narzędzie pozwalające zrozumieć, w jaki sposób pracuje nasz mózg oraz jak radzić sobie z chorobami takimi jak udar czy padaczka bądź chorobami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Alzheimera i choroba Parkinsona”, stwierdza Ritter. Wszystkie narzędzia i oprogramowanie opracowane w trakcie realizacji projektu są obecnie dostępne również dla innych badaczy. „Spuścizną projektu jest praca wykonywana przez społeczność naukową korzystającą z narzędzi do symulacji, które zbudowaliśmy i zweryfikowaliśmy”, podsumowuje Ritter. „Mamy nadzieję, że już wkrótce zobaczymy zastosowanie tych samych narzędzi w praktyce klinicznej, gdzie będą one mieć pozytywny wpływ na zdrowie i dobre samopoczucie pacjentów”.
Słowa kluczowe
BrainModes, neuronauka, symulacje, dane uzyskane metodą obrazowania, symulacje mózgu, choroby związane z mózgiem, funkcja mózgu, RODO, udar, padaczka, choroba Alzheimera, choroba Parkinsona
