OpenWorm es un proyecto internacional de ciencia abierta cuyo objetivo es simular el gusano redondo Caenorhabditis elegans a nivel celular. [1] [2] [3] Aunque el objetivo a largo plazo es modelar las 959 células de C. elegans , la primera etapa es modelar la locomoción del gusano simulando las 302 neuronas y 95 células musculares . La comunidad OpenWorm está llevando a cabo esta simulación de abajo hacia arriba.
A partir de 2014, se construyó un motor de física llamado Sibernetic para el proyecto y se crearon modelos del conectoma neural y una célula muscular en formato NeuroML . Se puede acceder a un modelo 3D de la anatomía del gusano a través de la web mediante el navegador OpenWorm. El proyecto OpenWorm también contribuye al desarrollo de Geppetto , [4] una plataforma de simulación de múltiples algoritmos y múltiples escalas basada en la web diseñada para respaldar la simulación de todo el organismo. [5]
El gusano redondo Caenorhabditis elegans es un nematodo transparente de vida libre , de aproximadamente 1 mm de longitud, [6] que vive en ambientes de suelos templados. Es la especie tipo de su género. [7]
C. elegans tiene uno de los sistemas nerviosos más simples de cualquier organismo: su tipo hermafrodita posee sólo 302 neuronas. Además, el conectoma estructural de estas neuronas está completamente desarrollado. Hay menos de mil células en todo el cuerpo de un gusano C. elegans y, dado que C. elegans es un organismo modelo , cada una tiene un identificador único y una literatura de respaldo completa. Al ser un organismo modelo, el genoma es completamente conocido, junto con muchos mutantes bien caracterizados disponibles y una literatura completa de estudios de comportamiento. Con tan pocas neuronas y nuevas técnicas de microscopía de calcio de dos fotones , pronto debería ser posible registrar la actividad neuronal completa de un organismo vivo. La manipulación de neuronas mediante métodos optogenéticos , junto con las capacidades técnicas anteriores, ha proporcionado al proyecto una posición sin precedentes: ahora es capaz de caracterizar completamente la dinámica neuronal de un organismo completo.
Los esfuerzos por construir un modelo in silico de C. elegans , aunque es un organismo relativamente simple, han impulsado el desarrollo de tecnologías que facilitarán el modelado de organismos progresivamente más complejos.
Si bien el objetivo final es simular todas las características del comportamiento de C. elegans , la comunidad OpenWorm inicialmente pretendía simular una respuesta motora simple: enseñar al gusano a gatear. Para ello, el gusano virtual se coloca en un entorno virtual. Posteriormente se establece un circuito de retroalimentación completo: Estímulo ambiental > Transducción sensorial > Activación de interneuronas > Activación de neuronas motoras > Salida motora > Cambio ambiental > Transducción sensorial.
Aquí hay dos desafíos técnicos principales: modelar las propiedades neuronales/eléctricas del cerebro mientras procesa la información y modelar las propiedades mecánicas del cuerpo mientras se mueve. Las propiedades neuronales se modelan mediante un modelo de Hodgkin-Huxley y las propiedades mecánicas se modelan mediante un algoritmo de hidrodinámica de partículas suavizadas .
El equipo de OpenWorm construyó un motor llamado Geppetto que podría integrar estos algoritmos y, gracias a su modularidad, podrá modelar otros sistemas biológicos (como la digestión ) que el equipo abordará más adelante.
El equipo también creó un entorno llamado NeuroConstruct que puede generar estructuras neuronales en NeuroML . Utilizando NeuroConstruct, el equipo reconstruyó el conectoma completo de C. elegans .
Utilizando NeuroML, el equipo también construyó un modelo de célula muscular. Tenga en cuenta que estos modelos actualmente solo modelan las propiedades relevantes para la respuesta motora simple: las propiedades neuronales/eléctricas y mecánicas discutidas anteriormente.
El siguiente paso es conectar esta célula muscular a las seis neuronas que hacen sinapsis con ella y aproximan su efecto.
El plan aproximado es entonces ambos:
En enero de 2015 [actualizar], el proyecto todavía está pendiente de revisión por pares y los investigadores involucrados en el proyecto se muestran reacios a hacer afirmaciones audaces sobre su parecido actual con el comportamiento biológico; El coordinador del proyecto, Stephen Larson, estima que "sólo estamos entre el 20 y el 30 por ciento del camino hacia donde necesitamos llegar". [8]
A partir de 2021 [actualizar], aún no se ha logrado una emulación de cerebro completo . [9]
En 1998, investigadores japoneses anunciaron el Proyecto Perfect C. elegans. Se presentó una propuesta, pero el proyecto parece haber sido abandonado. [10] [11]
En 2004, un grupo de Hiroshima inició el Proyecto Virtual C. elegans. Publicaron dos artículos que mostraban cómo su simulación se alejaría del estímulo virtual. [12] [13]
En 2005, un investigador de Texas describió un simulador simplificado de C. elegans basado en una red de 1 cable que incorpora un procesador digital Parallax Basic Stamp, entradas sensoriales y salidas motoras. Las entradas empleaban convertidores A/D de 16 bits conectados a neuronas simuladas de un amplificador operacional y un sensor de temperatura de 1 cable. Las salidas del motor estaban controladas por potenciómetros digitales de 256 posiciones y puertos digitales de 8 bits. La acción de los músculos artificiales se basó en actuadores de Nitinol. Utilizó un circuito operativo de "sentido-proceso-reacción" que recreaba varios comportamientos instintivos. [14]
Estos primeros intentos de simulación han sido criticados por no ser biológicamente realistas. Aunque tenemos el conectoma estructural completo, no conocemos los pesos sinápticos en cada una de las sinapsis conocidas. Ni siquiera sabemos si las sinapsis son inhibidoras o excitadoras. Para compensar esto, el grupo de Hiroshima utilizó el aprendizaje automático para encontrar algunos pesos de las sinapsis que generarían el comportamiento deseado. Por lo tanto, no sorprende que el modelo mostrara este comportamiento y puede que no represente una comprensión real del sistema. [ cita necesaria ]
La comunidad OpenWorm está comprometida con los ideales de la ciencia abierta . Generalmente, esto significa que el equipo intentará publicar en revistas de acceso abierto e incluir todos los datos recopilados (para evitar el problema del cajón de archivos ). De hecho, todos los datos biológicos que el equipo ha recopilado están disponibles públicamente y las cinco publicaciones que el grupo ha realizado hasta ahora están disponibles de forma gratuita en su sitio web. Todo el software que ha producido OpenWorm es completamente gratuito y de código abierto.
OpenWorm también está probando un modelo radicalmente abierto de colaboración científica. El equipo está formado por cualquier persona que desee formar parte del mismo. Hay más de cien "miembros" que están inscritos en la lista de correo técnico de gran volumen. De los miembros más activos que aparecen nombrados en una publicación hay colaboradores de Rusia, Brasil, Inglaterra, Escocia, Irlanda y Estados Unidos. Para coordinar este esfuerzo internacional, el equipo utiliza "reuniones de laboratorio virtuales" y otras herramientas en línea que se detallan en la sección de recursos.