OpenWorm

OpenWorm — международный открытый научный проект, целью которого является моделирование круглого червя Caenorhabditis elegans на клеточном уровне. ^[1]^[2]^[3] Хотя долгосрочной целью является моделирование всех 959 клеток C. elegans червя , первым этапом является моделирование передвижения путем моделирования 302 нейронов и 95 мышечных клеток . Это моделирование снизу вверх проводится сообществом OpenWorm.

По состоянию на 2014 год для проекта был создан физический движок Sibernetic , модели нейронного коннектома а также созданы и мышечной клетки в формате NeuroML . червя Доступ к 3D-модели анатомии можно получить через Интернет через браузер OpenWorm. Проект OpenWorm также участвует в разработке Geppetto . ^[4] многоалгоритмическая многомасштабная веб-платформа моделирования, разработанная для поддержки моделирования всего организма . ^[5]

Фон: C. elegans

Круглый червь Caenorhabditis elegans — свободноживущая прозрачная нематода длиной около 1 мм. ^[6] обитающий в почвах умеренного пояса. Это типовой вид своего рода. ^[7]

C. elegans имеет одну из самых простых нервных систем среди всех организмов: у него гермафродитного типа всего 302 нейрона. При этом структурный коннектом этих нейронов полностью проработан. содержится менее тысячи клеток Во всем теле червя C. elegans , и поскольку C. elegans является модельным организмом , каждый из них имеет уникальный идентификатор и обширную вспомогательную литературу. Поскольку это модельный организм, его геном полностью известен, наряду с легкодоступными многими хорошо охарактеризованными мутантами и обширной литературой по поведенческим исследованиям. Благодаря такому небольшому количеству нейронов и новым методам двухфотонной кальциевой микроскопии вскоре появится возможность регистрировать полную нервную активность живого организма. Манипулирование нейронами с помощью оптогенетических методов в сочетании с вышеупомянутыми техническими возможностями обеспечило проекту беспрецедентную позицию — теперь он способен полностью охарактеризовать нервную динамику всего организма.

Попытки создать in silico модель C. elegans , хотя и относительно простого организма, привели к развитию технологий, которые облегчат моделирование все более сложных организмов.

проект OpenWorm

Хотя конечной целью является симуляция всех особенностей поведения C. elegans , сообщество OpenWorm изначально стремилось смоделировать простую двигательную реакцию: научить червя ползать. Для этого виртуальный червь помещается в виртуальную среду. Впоследствии устанавливается полная петля обратной связи: Стимул окружающей среды > Сенсорная трансдукция > Активация интернейронов > Активация двигательных нейронов > Двигательная активность > Изменение окружающей среды > Сенсорная трансдукция.

Здесь есть две основные технические проблемы: моделирование нейронных/электрических свойств мозга при обработке информации и моделирование механических свойств тела во время его движения. Нейронные свойства моделируются с помощью модели Ходжкина-Хаксли , а механические свойства моделируются с помощью алгоритма гидродинамики сглаженных частиц .

Команда OpenWorm создала движок под названием Geppetto, который может интегрировать эти алгоритмы и благодаря своей модульности моделировать другие биологические системы (например, пищеварение ), которыми команда займется позже.

Команда также создала среду под названием NeuroConstruct, которая способна выводить нейронные структуры в NeuroML . Используя NeuroConstruct, команда реконструировала полный коннектом C. elegans .

Используя NeuroML, команда также построила модель мышечной клетки. Обратите внимание, что эти модели в настоящее время моделируют только соответствующие свойства простой двигательной реакции: нейронные/электрические и механические свойства, обсуждавшиеся выше.

Следующий шаг — соединить эту мышечную клетку с шестью синаптическими нейронами и приблизить их эффект.

Грубый план состоит в том, чтобы оба:

Приблизительно определите синапсы, которые образуют синапсы на этих нейронах.
Повторите процесс для других мышечных клеток.

Прогресс

По состоянию на январь 2015 г. ^[update], проект все еще ожидает экспертной оценки, и исследователи, участвующие в проекте, не хотят делать смелые заявления о его нынешнем сходстве с биологическим поведением; По оценкам координатора проекта Стивена Ларсона, они «пройдены лишь 20–30 процентов пути к тому, чего нам нужно достичь». ^[8]

По состоянию на 2021 год ^[update], полная эмуляция мозга пока не достигнута. ^[9]

Связанные проекты

В 1998 году японские исследователи объявили о проекте Perfect C. elegans. Предложение было подано, но от проекта, судя по всему, отказались. ^[10]^[11]

В 2004 году группа из Хиросимы начала проект Virtual C. elegans. Они опубликовали две статьи, в которых показано, как их моделирование откажется от виртуального воздействия. ^[12]^[13]

В 2005 году исследователь из Техаса описал упрощенный симулятор C. elegans, основанный на однопроводной сети, включающий цифровой процессор Parallax Basic Stamp, сенсорные входы и двигательные выходы. На входах использовались 16-разрядные аналого-цифровые преобразователи, подключенные к имитирующим нейроны операционного усилителя, и однопроводной датчик температуры. Выходы двигателей контролировались 256-позиционными цифровыми потенциометрами и 8-битными цифровыми портами. Действие искусственных мышц было основано на нитиноловых приводах. Он использовал рабочий цикл «чувство-процесс-реакция», который воссоздал несколько инстинктивных моделей поведения. ^[14]

Эти ранние попытки моделирования подверглись критике за биологическую нереалистичность. Хотя у нас есть полный структурный коннектом, мы не знаем синаптических весов в каждом из известных синапсов. Мы даже не знаем, являются ли синапсы тормозными или возбуждающими. Чтобы компенсировать это, группа из Хиросимы использовала машинное обучение, чтобы найти веса синапсов, которые будут генерировать желаемое поведение. Поэтому неудивительно, что модель отображает такое поведение и может не отражать истинного понимания системы. ^{[ нужна ссылка ]}

Открытая наука

Сообщество OpenWorm привержено идеалам открытой науки . Обычно это означает, что команда попытается публиковаться в журналах с открытым доступом и включать все собранные данные (чтобы избежать проблемы с ящиком для файлов ). Действительно, все биологические данные, собранные командой, общедоступны, а пять публикаций, сделанных группой на данный момент, доступны бесплатно на их веб-сайте. Все программное обеспечение, созданное OpenWorm, полностью бесплатное и имеет открытый исходный код.

OpenWorm также пробует радикально открытую модель научного сотрудничества. В команду входят все желающие. Более ста «участников» подписаны на обширный список технической рассылки. Среди наиболее активных членов, названных в публикации, есть сотрудники из России, Бразилии, Англии, Шотландии, Ирландии и США. Для координации этих международных усилий команда использует «виртуальные лабораторные встречи» и другие онлайн-инструменты, которые подробно описаны в разделе ресурсов.

Ссылки

^ Чиргвин, Ричард (5 мая 2014 г.). «Что это за ПАРАЗИТ вертится в моем браузере? Любители нематод открывают своего червя на Kickstarter» . Регистр .
^ Пальянов Андрей; Хайрулин, Сергей; Ларсон, Стивен Д.; Диберт, Александр (01 января 2012 г.). «На пути к виртуальному C. elegans: основа для моделирования и визуализации нервно-мышечной системы в физической трехмерной среде» . В кремниевой биологии . 11 (3): 137–147. дои : 10.3233/isb-2012-0445 . ISSN 1386-6338 . ПМИД 22935967 .
^ Гевалтиг, Марк-Оливер; Кэннон, Роберт (23 января 2014 г.). «Современная практика разработки программного обеспечения для вычислительной нейронауки и способы ее улучшения» . PLOS Вычислительная биология . 10 (1): e1003376. Бибкод : 2014PLSCB..10E3376G . дои : 10.1371/journal.pcbi.1003376 . ISSN 1553-7358 . ПМК 3900372 . ПМИД 24465191 .
^ Джеппетто
^ Такахаши, декан (30 апреля 2014 г.). «Openworm станет цифровым организмом в вашем браузере» . ВенчурБит .
^ Вуд, ВБ (1988). Нематода Caenorhabditis elegans . Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор . п. 1. ISBN 978-0-87969-433-3 .
^ Судхаус В., Кионтке К. (2009). «Филогения подрода Caenorhabditis Rhabditis ( Rhabditidae, Nematoda)» . Журнал зоологической систематики и эволюционных исследований . 34 (4): 217–233. дои : 10.1111/j.1439-0469.1996.tb00827.x .
^ Шедболт, Питер (21 января 2015 г.). «Ученые загружают разум червяка в робота Lego» . CNN .
^ «Эмуляция всего мозга: никакого прогресса в отношении C. elgans за 10 лет» . МеньшеНеправильно . 1 октября 2021 г.
^ Китано, Хироаки; Хамахаси, Сюго; Люк, Шон (апрель 1998 г.). «Проект Perfect C. ELEGANS: первоначальный отчет» . Искусственная жизнь . 4 (2): 141–156. CiteSeerX 10.1.1.25.8565 . дои : 10.1162/106454698568495 . ISSN 1064-5462 . ПМИД 9847421 . S2CID 12383326 .
^ Кауфман, Джефф (2 ноября 2011 г.). «Эмуляция всего мозга и нематоды» .
^ Сузуки, Мичиё; Гото, Такеши; Цудзи, Тошио; Отакэ, Хисао (2005). «Динамическая модель тела нематоды C. elegans с нейронными осцилляторами» (PDF) . Журнал робототехники и мехатроники . 17 (3): 318–326. дои : 10.20965/jrm.2005.p0318 .
^ Сузуки, Мичиё; Цудзи, Тошио; Отаке, Хисао (сентябрь 2005 г.). «Модель двигательного контроля нематоды C. elegans с нейронными цепями» (PDF) . Искусственный интеллект в медицине . 35 (1–2): 75–86. doi : 10.1016/j.artmed.2005.01.008 . ISSN 0933-3657 . ПМИД 16084704 .
^ Френгер, Пол (2005). Простой эмулятор нервной системы C. elegans . Хьюстонская конференция по биомедицинским инженерным исследованиям. п. 192.

Внешние ссылки

[1] Чиргвин, Ричард (5 мая 2014 г.). «Что это за ПАРАЗИТ вертится в моем браузере? Любители нематод открывают своего червя на Kickstarter» . Регистр .

[2] Пальянов Андрей; Хайрулин, Сергей; Ларсон, Стивен Д.; Диберт, Александр (01 января 2012 г.). «На пути к виртуальному C. elegans: основа для моделирования и визуализации нервно-мышечной системы в физической трехмерной среде» . В кремниевой биологии . 11 (3): 137–147. дои : 10.3233/isb-2012-0445 . ISSN 1386-6338 . ПМИД 22935967 .

[3] Гевалтиг, Марк-Оливер; Кэннон, Роберт (23 января 2014 г.). «Современная практика разработки программного обеспечения для вычислительной нейронауки и способы ее улучшения» . PLOS Вычислительная биология . 10 (1): e1003376. Бибкод : 2014PLSCB..10E3376G . дои : 10.1371/journal.pcbi.1003376 . ISSN 1553-7358 . ПМК 3900372 . ПМИД 24465191 .

[4] Джеппетто

[5] Такахаши, декан (30 апреля 2014 г.). «Openworm станет цифровым организмом в вашем браузере» . ВенчурБит .

[6] Вуд, ВБ (1988). Нематода Caenorhabditis elegans . Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор . п. 1. ISBN 978-0-87969-433-3 .

[7] Судхаус В., Кионтке К. (2009). «Филогения подрода Caenorhabditis Rhabditis ( Rhabditidae, Nematoda)» . Журнал зоологической систематики и эволюционных исследований . 34 (4): 217–233. дои : 10.1111/j.1439-0469.1996.tb00827.x .

[8] Шедболт, Питер (21 января 2015 г.). «Ученые загружают разум червяка в робота Lego» . CNN .

[9] «Эмуляция всего мозга: никакого прогресса в отношении C. elgans за 10 лет» . МеньшеНеправильно . 1 октября 2021 г.

[10] Китано, Хироаки; Хамахаси, Сюго; Люк, Шон (апрель 1998 г.). «Проект Perfect C. ELEGANS: первоначальный отчет» . Искусственная жизнь . 4 (2): 141–156. CiteSeerX 10.1.1.25.8565 . дои : 10.1162/106454698568495 . ISSN 1064-5462 . ПМИД 9847421 . S2CID 12383326 .

[11] Кауфман, Джефф (2 ноября 2011 г.). «Эмуляция всего мозга и нематоды» .

[12] Сузуки, Мичиё; Гото, Такеши; Цудзи, Тошио; Отакэ, Хисао (2005). «Динамическая модель тела нематоды C. elegans с нейронными осцилляторами» (PDF) . Журнал робототехники и мехатроники . 17 (3): 318–326. дои : 10.20965/jrm.2005.p0318 .

[13] Сузуки, Мичиё; Цудзи, Тошио; Отаке, Хисао (сентябрь 2005 г.). «Модель двигательного контроля нематоды C. elegans с нейронными цепями» (PDF) . Искусственный интеллект в медицине . 35 (1–2): 75–86. doi : 10.1016/j.artmed.2005.01.008 . ISSN 0933-3657 . ПМИД 16084704 .

[14] Френгер, Пол (2005). Простой эмулятор нервной системы C. elegans . Хьюстонская конференция по биомедицинским инженерным исследованиям. п. 192.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]