GENESIS (El sistema de simulación neuronal general ) es un entorno de simulación para construir modelos realistas de sistemas neurobiológicos en muchos niveles de escala, incluidos: procesos subcelulares, neuronas individuales, redes de neuronas y sistemas neuronales. Estas simulaciones son "implementaciones informáticas de modelos cuyo objetivo principal es capturar lo que se sabe de la estructura anatómica y las características fisiológicas del sistema neuronal de interés". [4] GENESIS tiene como objetivo cuantificar el marco físico del sistema nervioso de una manera que permita una fácil comprensión de la estructura física de los nervios en cuestión. "En la actualidad, sólo GENESIS permite el modelado en paralelo de neuronas y redes individuales en computadoras paralelas con múltiples instrucciones y múltiples datos". [5] El desarrollo del software GENESIS se extendió desde su sede en Caltech a los laboratorios de la Universidad de Texas en San Antonio , la Universidad de Amberes , el Centro Nacional de Ciencias Biológicas en Bangalore, la Universidad de Colorado , el Centro de Supercomputación de Pittsburgh , el San Centro de Supercomputación Diego , y Universidad Emory .
GENESIS funciona creando entornos de simulación para la construcción de modelos de neuronas o sistemas neuronales . " Las células nerviosas son capaces de comunicarse entre sí de una manera tan altamente estructurada que forman redes neuronales. Para comprender las redes neuronales, es necesario comprender las formas en que una neurona se comunica con otra a través de conexiones sinápticas y el proceso llamado transmisión sináptica. ". [6] Las neuronas tienen una estructura especializada para su función, "se diferencian de la mayoría de las otras células del cuerpo en que están polarizadas y tienen regiones morfológicas distintas, cada una con funciones específicas". [6] Las dos regiones importantes de una neurona son la dendrita y el axón . "Las dendritas son la región donde una neurona recibe conexiones de otras neuronas. El cuerpo celular o soma contiene el núcleo y otros orgánulos necesarios para la función celular. El axón es un componente clave de las células nerviosas a través del cual se transmite información desde una parte del cerebro. neurona (p. ej., el cuerpo celular) hasta las regiones terminales de la neurona". [6] La tercera pieza importante de una neurona es la sinapsis . "La sinapsis es la región terminal del axón, aquí es donde una neurona forma una conexión con otra y transmite información a través del proceso de transmisión sináptica". [6]
Las redes neuronales como las simuladas con el software GENESIS pueden volverse rápidamente muy complejas y difíciles de entender. "Sólo unas pocas neuronas interconectadas (un microcircuito) pueden realizar tareas sofisticadas como mediar reflejos, procesar información sensorial, generar locomoción y mediar en el aprendizaje y la memoria. Incluso redes más complejas, los macrocircuitos, constan de múltiples microcircuitos integrados. Los macrocircuitos median funciones cerebrales superiores como como reconocimiento y cognición de objetos". [6] GENESIS se esfuerza por simular los sistemas neuronales tal como se encuentran en la naturaleza. A menudo, "una neurona puede recibir contactos de hasta 10.000 neuronas presinápticas y, a su vez, cualquier neurona puede contactar hasta 10.000 neuronas postsinápticas. La posibilidad combinatoria podría dar lugar a circuitos neuronales o topologías de red enormemente complejos, que podrían ser muy difícil de comprender". [6]
GENESIS fue desarrollado por el Dr. James M. Bower , en el laboratorio de Caltech , y lanzado al público por primera vez en 1988 en asociación con el primer Curso de Métodos en Neurociencia Computacional en el Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole , MA. El código fuente completo del software se publicó el mismo año bajo un modelo de software abierto para el desarrollo. Ahora cuenta con el respaldo de la Iniciativa de Biología Computacional de la Universidad de Texas en San Antonio y está disponible de forma gratuita junto con guías tutoriales sobre su uso. P-GENESIS, una versión paralela de GENESIS, se ejecutó por primera vez en 1990 en Intel Delta, que era el prototipo de la familia Intel Paragon de supercomputadoras masivamente paralelas. [7]
GENESIS es útil para crear un entorno de simulación para construir modelos de sistemas neurobiológicos, como:
El sistema GENESIS es complicado, pero relativamente fácil de usar.
Una persona puede ingresar comandos a través de una de tres formas: archivos de script, interfaz gráfica de usuario o el shell de comandos GENESIS. Estos comandos luego son procesados por el intérprete del lenguaje de escritura. "El intérprete de lenguaje de script procesa comandos ingresados a través del teclado, archivos de script o la interfaz gráfica de usuario y los pasa al motor de simulación GENESIS. El motor de simulación también carga bibliotecas de objetos compilados, lee y escribe archivos de datos e interactúa con el sistema gráfico. interfaz de usuario". [8] A continuación se muestra una representación gráfica del proceso de entrada del usuario y un ejemplo de salida de GENESIS.
La mayoría de las aplicaciones actuales de GENESIS implican simulaciones realistas de sistemas biológicos. Suele utilizarse para simular el comportamiento de estructuras cerebrales más grandes, por ejemplo la corteza cerebral . Estos estudios ocurren con mayor frecuencia en cursos de laboratorio sobre simulación neuronal en Caltech y el Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole, Massachusetts.
GENESIS se puede utilizar en combinación con el software de la Universidad de Yale llamado NEURON como un medio para que los científicos colaboren en la construcción de una descripción física del sistema nervioso. El software GENESIS también se puede utilizar con Kinetikit en el modelado de vías de transducción de señales. [9]
GENESIS se ha utilizado en muchos estudios. [10] Algunos de estos estudios implican investigaciones que se centran en el desarrollo de software que sería útil en muchas disciplinas. Otros son estudios de neuronas, como las células de Purkinje . Estos estudios utilizaron GENESIS para simular células de Purkinje y podrían ser útiles para la planificación y desarrollo de experimentos posteriores utilizando el software GENESIS.
También puede haber aplicaciones biomédicas del software. Por ejemplo, St. Jude Medical en Europa ha desarrollado un dispositivo GENESIS implantado. [11]