En el campo de la neurociencia computacional , la simulación cerebral es el concepto de crear un modelo informático funcional de un cerebro o parte de un cerebro. [1] Los proyectos de simulación cerebral pretenden contribuir a una comprensión completa del cerebro y, eventualmente, también ayudar al proceso de tratamiento y diagnóstico de enfermedades cerebrales . [2] [3] Las simulaciones utilizan modelos matemáticos de neuronas biológicas , como el modelo de Hodgkin-Huxley , para simular el comportamiento de las neuronas u otras células dentro del cerebro.
Varias simulaciones de todo el mundo se han publicado total o parcialmente como software de código abierto , como C. elegans , [4] y Blue Brain Project Showcase. [5] En 2013, el Human Brain Project , que ha utilizado técnicas utilizadas por el Blue Brain Project y se ha basado en ellas, [6] creó una Plataforma de Simulación Cerebral (BSP), una plataforma colaborativa accesible a través de Internet diseñada para la simulación de modelos cerebrales.
Las simulaciones cerebrales se pueden realizar con distintos niveles de detalle, y para lograr más detalles se requieren capacidades computacionales significativamente mayores. Algunas simulaciones pueden considerar solo el comportamiento de áreas sin modelar neuronas individuales. Otras simulaciones modelan el comportamiento de neuronas individuales, la fuerza de las conexiones entre neuronas y cómo cambian estas conexiones. [7] Esto requiere tener un mapa de las neuronas del organismo objetivo y sus conexiones, llamado conectoma . [8] Las simulaciones altamente detalladas pueden modelar con precisión la electrofisiología de cada neurona individual, potencialmente incluso su metaboloma y proteoma , y el estado de sus complejos proteicos . [9]
Con el tiempo, la investigación sobre simulación cerebral se ha centrado en organismos cada vez más complejos, comenzando con organismos primitivos como el nematodo C. elegans y progresando hacia simulaciones de cerebros humanos.
La conectividad del circuito neuronal para la sensibilidad táctil del nematodo simple C. elegans (gusano redondo) fue mapeada en 1985 [10] y parcialmente simulada en 1993. [11] Desde 2004, se han desarrollado muchas simulaciones de software del sistema neuronal y muscular completo, incluida la simulación del entorno físico del gusano. Algunos de estos modelos, incluido el código fuente, se han puesto a disposición para su descarga. [12] [4] Sin embargo, todavía hay una falta de comprensión de cómo las neuronas y las conexiones entre ellas generan la gama sorprendentemente compleja de comportamientos que se observan en el organismo relativamente simple. [13] [14] Este contraste entre la aparente simplicidad de cómo las neuronas mapeadas interactúan con sus vecinas y la excesiva complejidad de la función cerebral general, es un ejemplo de una propiedad emergente . [15] Este tipo de propiedad emergente tiene un paralelo dentro de las redes neuronales artificiales , cuyas neuronas son extremadamente simples en comparación con sus resultados a menudo complejos y abstractos. Para citar un dicho común, un grupo (en este caso un cerebro) es más fuerte que la suma de sus partes.
El cerebro de la mosca de la fruta, Drosophila , también ha sido estudiado en profundidad. Un modelo simulado del cerebro de la mosca de la fruta ofrece un modelo único de neuronas hermanas. [16] Al igual que el de la lombriz intestinal, este modelo se ha puesto a disposición como software de código abierto . [17]
En 2006, el Proyecto Cerebro Azul , dirigido por Henry Markram , realizó su primer modelo de una columna neocortical con neuronas simplificadas. Y en noviembre de 2007, completó un modelo inicial de la columna neocortical de la rata. Esto marcó el final de la primera fase, entregando un proceso basado en datos para crear, validar e investigar la columna neocortical. [18] [19] La columna neocortical se considera la unidad funcional más pequeña del neocórtex . El neocórtex es la parte del cerebro que se cree que es responsable de funciones de orden superior como el pensamiento consciente, y contiene 10.000 neuronas en el cerebro de la rata (y 10 8 sinapsis ).
En 2007, el equipo de investigación de la Universidad de Nevada e IBM Almaden ejecutó una red neuronal artificial descrita como "tan grande y compleja como la mitad del cerebro de un ratón" [20] con 8 millones de neuronas y 6300 sinapsis por neurona en una supercomputadora IBM Blue Gene . [21] Cada segundo de tiempo simulado tomó diez segundos de tiempo de computadora. Los investigadores afirmaron observar impulsos nerviosos "biológicamente consistentes" que fluían a través de la corteza virtual. Sin embargo, la simulación carecía de las estructuras observadas en los cerebros de ratones reales, y pretenden mejorar la precisión de los modelos de neuronas y sinapsis. [22] Más tarde, ese mismo año, IBM aumentó el número de neuronas a 16 millones y 8000 sinapsis por neurona, de las cuales 5 segundos se modelaron en 265 s de tiempo real. [23] En 2009, los investigadores lograron aumentar las cifras a 1.600 millones de neuronas y 9 billones de sinapsis, saturando los 144 TB de RAM de la supercomputadora. [24]
En 2019, Idan Segev, uno de los neurocientíficos computacionales que trabajan en el Proyecto Cerebro Azul, dio una charla titulada: "El cerebro en la computadora: ¿qué aprendí al simular el cerebro?". En su charla, mencionó que toda la corteza cerebral del ratón estaba completa y que pronto comenzarían los experimentos de EEG virtuales. También mencionó que el modelo se había vuelto demasiado pesado para las supercomputadoras que estaban usando en ese momento y que, en consecuencia, estaban explorando métodos en los que cada neurona pudiera representarse como una red neuronal (ver la cita para más detalles). [25]
En 2023, investigadores de la Universidad de Duke realizaron un escaneo de resolución particularmente alta del cerebro de un ratón. [26]
Blue Brain es un proyecto que IBM y el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana lanzaron en mayo de 2005. La intención del proyecto era crear una simulación por computadora de la columna cortical de un mamífero hasta el nivel molecular. [27] El proyecto utiliza una supercomputadora basada en el diseño Blue Gene de IBM para simular el comportamiento eléctrico de las neuronas en función de su conectividad sináptica y permeabilidad iónica. El proyecto busca revelar eventualmente información sobre la cognición humana y varios trastornos psiquiátricos causados por el mal funcionamiento de las neuronas, como el autismo , y comprender cómo los agentes farmacológicos afectan el comportamiento de la red.
El cerebro humano contiene 86 mil millones de neuronas [28] , cada una con un promedio aproximado de 10 000 conexiones. Según una estimación, una reconstrucción completa y muy detallada del conectoma humano requeriría un zettabyte (10 21 bytes) de almacenamiento de datos. [29]
Está previsto que en abril de 2024 entre en funcionamiento una supercomputadora con una capacidad de cálculo similar a la del cerebro humano. [30] Llamada "DeepSouth", podría realizar 228 billones de operaciones sinápticas por segundo. [31]
A finales de 2013, investigadores de Japón y Alemania utilizaron el ordenador K , el cuarto superordenador más rápido de la época, y el software de simulación NEST para simular el 1% del cerebro humano. La simulación modeló una red formada por 1.730 millones de células nerviosas conectadas por 10,4 billones de sinapsis. Para lograr esta hazaña, el programa reclutó 82.944 procesadores del ordenador K. El proceso tardó 40 minutos en completar la simulación de 1 segundo de actividad de la red neuronal en tiempo biológico real. [32] [33]
El Proyecto Cerebro Humano (HBP) fue un programa de investigación de 10 años financiado por la Unión Europea . Comenzó en 2013 y empleó a unos 500 científicos de toda Europa. [34] Incluye 6 plataformas:
La Plataforma de Simulación Cerebral (BSP) es un dispositivo con herramientas accesibles a través de Internet, que permite realizar investigaciones que no son posibles en el laboratorio. Están aplicando técnicas de Blue Brain a otras regiones cerebrales, como el cerebelo , el hipocampo y los ganglios basales . [35]
Se han publicado varios modelos del cerebro como software de código abierto y están disponibles en sitios como GitHub , incluido el gusano redondo C. elegans , [4] la mosca de la fruta Drosophila , [17] y los modelos de cerebro humano Elysia [36] y Spaun , [37] que se basan en la arquitectura de software NENGO . [38] El Blue Brain Project Showcase también ilustra cómo los modelos y datos del Blue Brain Project se pueden convertir a NeuroML y PyNN ( modelos de red neuronal de Python ). [5]
La Plataforma de Simulación Cerebral (BSP) es una plataforma de colaboración abierta accesible a través de Internet para la simulación cerebral, creada por el Proyecto Cerebro Humano . [35]