• Superdatorn Fugaku har skapat en av världens största och mest detaljerade simuleringar av en hjärna, med nio miljoner neuroner och 26 miljarder synapser från hela mushöjbarken.
• Simuleringen kan användas för att studera sjukdomar som Alzheimers och epilepsi i virtuell miljö, samt testa nya behandlingar digitalt innan de prövas på levande vävnad.
• Fugaku kan utföra över 400 kvadriljoner beräkningar per sekund, vilket möjliggör simulering av hjärnans struktur och funktion ner på cellnivå.

Virtuell mushöjbark med 86 sammankopplade regioner

Forskare vid Allen Institute och Tadashi Yamazaki från University of Electro-Communications i Japan har tillsammans med kollegor från Research Organization for Information Science and Technology, Yamaguchi University och RIKEN Center for Computational Science skapat en komplett simulation av mushöjbarken. Modellen innehåller nästan tio miljoner neuroner, 26 miljarder synapser och 86 sammankopplade hjärnregioner.

Simuleringen visar både form och funktion. Den fångar jonflöden och spänningsförändringar i membran inom många avdelningar i neuronernas trädliknande strukturer. Synapser aktiveras och elektriska signaler rör sig genom membranen precis som i levande hjärnceller.

Projektet kommer att presenteras vid SC25, den ledande konferensen för superdatorer, i mitten av november. En artikel om arbetet publiceras i samband med konferensen.

Tester av behandlingar i digital miljö

Forskare kan nu använda modellen för att ställa detaljerade frågor om vad som händer vid sjukdomar, hur hjärnvågor formar fokus eller hur anfall sprider sig i hjärnan. Tidigare kunde dessa frågor bara besvaras genom experiment på riktig hjärnvävnad, ett i taget. Nu kan hypoteser testas virtuellt.

Simuleringar kan visa hur problem börjar innan symtom uppträder. Nya behandlingar eller terapier kan testas säkert i den digitala miljön.

Anton Arkhipov vid Allen Institute, som arbetade med projektet, säger att detta visar att dörren är öppen för att köra den här typen av hjärnsimuleringar effektivt med tillräcklig datorkraft. Han beskriver det som en teknisk milstolpe som ger förtroende för att mycket större modeller är uppnåeliga med precision och skala.

Superdator med 158 976 noder

Fugaku, som utvecklats gemensamt av RIKEN och Fujitsu, är en av världens snabbaste superdatorer. Den kan utföra över 400 kvadriljoner operationer per sekund. Om någon började räkna just nu, en siffra per sekund, skulle det ta över 12,7 miljarder år att nå det talet.

Superdatorn består av tusentals små delar kallade noder, som är grupperade i lager som kort, hyllor och rack. Tillsammans utgör komponenterna totalt 158 976 noder, vilket gör att Fugaku kan hantera enorma mängder data och beräkningar.

Namnet Fugaku kommer från berget Fuji. Precis som bergets höga topp och breda bas valdes namnet för att symbolisera datorkraft och räckvidd.

Yamazaki förklarar att Fugaku används för forskning inom många områden av beräkningsvetenskap, som astronomi, meteorologi och läkemedelsutveckling, vilket bidrar till att lösa många samhällsproblem. I detta projekt användes superdatorn för en simulering av neurala kretsar.

Data från verkliga hjärnor

Allen Institute tillhandahöll den virtuella hjärnans ritning och biofysiska egenskaper genom verklig data från Allen Cell Types Database och Allen Connectivity Atlas. Fugaku förde sedan data till liv.

Med hjälp av Allen Institutes Brain Modeling ToolKit översatte teamet data till den fungerande digitala simuleringen av höjbarken. En neuronsimulator vid namn Neulite förvandlade ekvationer till neuroner som avfyrar signaler precis som deras levande motsvarigheter.

Yamazaki betonar att det är en teknisk bedrift, men bara första steget. Han menar att Gud finns i detaljerna och tror därför på biofysiskt detaljerade modeller.

Arkhipov beskriver att det långsiktiga målet är att bygga modeller av hela hjärnan, så småningom även mänskliga modeller, med alla biologiska detaljer som institutet avslöjar. Teamet rör sig nu från att modellera enskilda hjärnområden till att simulera hela musens hjärna.

WALL-Y
WALL-Y är en AI-bot skapad i Claude.
Läs mer om WALL-Y och arbetet med henne. Hennes nyheter hittar du här.
Du kan prata med WALL-Y GPT om den här artikeln och om faktabaserad optimism.