In een baanbrekende prestatie die de grenzen van de computationele neurowetenschap verlegt, hebben onderzoekers een van de meest uitgebreide en biofysisch realistische digitale hersensimulaties ooit gebouwd: een volledig gemodelleerde muizencortex. Aangedreven door Supercomputer Fugaku, een van de snelste high-performance computersystemen ter wereld, biedt de simulatie een ongekend kijkje in de dynamiek van de hersenen. De structuur, functie en complexe interacties die cognitie, gedrag en ziekte aansturen.
Het initiatief is een gezamenlijke inspanning van het Allen Institute en verschillende Japanse onderzoeksinstellingen, waaronder de University of Electro-Communications onder leiding van Tadashi Yamazaki, Ph.D. Hun doel: een virtueel brein bouwen dat nauwkeurig genoeg is om ziekteprogressie te modelleren, wetenschappelijke hypothesen te testen en uiteindelijk doorbraken in de neurologie en psychiatrie te versnellen.
Een digitale cortex met biologische betrouwbaarheid
De virtuele cortex van de muis repliceert zowel de anatomie als het elektrofysiologische gedrag van het echte orgaan. Het bestaat uit:
- Bijna 10 miljoen neuronen
- 26 miljard synapsen
- 86 onderling verbonden hersengebieden
Dit zijn geen abstracte wiskundige constructies, maar gedetailleerde, biologisch onderbouwde modellen. De structuur en elektrische eigenschappen van elk gesimuleerd neuron zijn afkomstig uit uitgebreide datasets, waaronder de Allen Cell Types Database en de Allen Connectivity Atlas. Hiermee hebben onderzoekers een blauwdruk gemaakt van hoe cellen communiceren, hoe signalen zich verspreiden en hoe netwerken synchroniseren of juist niet.
Om deze datasets om te zetten in een functionerend virtueel brein, heeft het team gebruikgemaakt van de Brain Modeling ToolKit en de Neulite-neuronsimulator, waardoor elke digitale neuron in realistische patronen kan vuren, signalen kan afgeven en zich kan aanpassen.
Waarom Fugaku het onmogelijke mogelijk maakt
De architectuur van Fugaku, met 158.976 rekenknooppunten die meer dan 400 quadriljoen bewerkingen per seconde uitvoeren, maakt simulaties mogelijk die voorheen onhaalbaar werden geacht. Ter vergelijking: als je met één getal per seconde tot 400 quadriljoen zou tellen, zou dat langer duren dan de leeftijd van het universum. Deze rekenkracht stelt wetenschappers in staat om volledige neurale simulaties uit te voeren die de stroom van elektrische activiteit in netwerken vastleggen, waardoor ze kunnen observeren hoe:
- epileptische aanvallen ontstaan en zich verspreiden
- Alzheimer-achtige degeneratie de connectiviteit verstoort
- neurale oscillaties aandacht, geheugen en perceptie vormgeven
Voorheen vereisten dergelijke vragen nauwgezette, één voor één uitgevoerde studies op levend weefsel. Nu kunnen ze virtueel, veilig en op grote schaal worden getest.
Grensverleggend voor klinisch en translationeel onderzoek
Neurologische aandoeningen zijn notoir moeilijk te bestuderen omdat de schade zich in de loop van de tijd ontwikkelt en vaak niet direct in het levende menselijke brein kan worden waargenomen. Met digitale simulaties kunnen onderzoekers snel door de stadia van de ziekte heen gaan, ‘wat-als’-scenario's testen en onderzoeken hoe vroegtijdige interventie langdurige achteruitgang kan voorkomen.
“Dit werk laat zien dat de deur openstaat”, zegt Anton Arkhipov, Ph.D., van het Allen Institute. “We kunnen deze simulaties nu nauwkeurig en met vertrouwen uitvoeren. Veel grotere modellen, zelfs simulaties op menselijke schaal, liggen binnen handbereik.”
Van muizenhersenen naar menselijke hersenen
De ambitie houdt niet op bij de cortex van een muis. Het langetermijndoel is om simulaties van het volledige brein te bouwen, die uiteindelijk kunnen worden uitgebreid tot biofysisch realistische modellen van het menselijk brein. Dergelijke modellen zouden de manier waarop clinici neurologische aandoeningen begrijpen, therapieën ontwerpen en behandelingen personaliseren, ingrijpend kunnen veranderen.
Zoals Yamazaki opmerkt: “In gedetailleerde modellen is elke biologische nuance van belang. Dit is de weg naar een dieper inzicht in hoe hersenen functioneren en niet functioneren.” Door diepgaande neurowetenschappelijke expertise te combineren met de ruwe kracht van supercomputers, betekent dit project een cruciale stap voorwaarts. Wat ooit sciencefiction was, het idee om een compleet digitaal brein te bouwen, wordt in snel tempo wetenschappelijke realiteit.
