A simulação de supercomputadores está mudando a forma como estudamos o cérebro

Aproveitando a força de um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, os pesquisadores construíram uma das maiores e mais detalhadas simulações biofisicamente realistas do cérebro de um animal de todos os tempos.

Esta cópia virtual de um córtex inteiro de rato permite aos investigadores estudar o cérebro de uma nova forma: simulando doenças como Alzheimer ou epilepsia no mundo virtual para observar em detalhe como os danos se espalham pelas redes neurais ou compreender a cognição e a consciência. Simula tanto a forma como a função, com quase dez milhões de neurónios, 26 mil milhões de sinapses e 86 regiões cerebrais interligadas.

Esta conquista espetacular é produto do Supercomputador Fugaku, o principal supercomputador japonês que pode processar dados mais rápido do que podemos piscar, com quatrilhões de cálculos por segundo.

Cientistas do Instituto Allen e Tadashi Yamazaki, Ph.D., da Universidade de Eletrocomunicações do Japão, juntamente com três outras organizações japonesas, lideraram o projeto. Um próximo artigo revelará a conquista no SC25, que acontecerá em meados de novembro.

Os cientistas podem usar este modelo de córtex de camundongo para fazer perguntas detalhadas sobre o que acontece em uma doença, como as ondas cerebrais moldam o foco ou como as convulsões se espalham no cérebro, e então testar suas hipóteses. Antes disso, essas perguntas só podiam ser feitas usando tecido cerebral real, um experimento de cada vez. Agora, os pesquisadores podem testar hipóteses virtualmente.

Estas simulações podem ajudar a encontrar respostas para distúrbios cerebrais, revelando como os problemas começam antes do aparecimento dos sintomas, e permitir aos investigadores testar novos tratamentos ou terapias com segurança num ambiente digital.

“Isto mostra que a porta está aberta. Podemos executar este tipo de simulações cerebrais de forma eficaz com poder computacional suficiente”, disse Anton Arkhipov, Ph.D., investigador do Instituto Allen que trabalhou no projeto. “É um marco técnico que nos dá a confiança de que modelos muito maiores não só são possíveis, mas também alcançáveis ​​com precisão e escala.”

Esta colaboração global combina a experiência da neurociência humana com o notável poder computacional de uma máquina. O Allen Institute forneceu o projeto do cérebro virtual e as propriedades biofísicas por meio de dados reais do Allen Cell Types Database e do Allen Connectivity Atlas, e o japonês Fugaku deu vida aos dados.

Como os pesquisadores criaram toda a simulação do córtex

O Fugaku, desenvolvido em conjunto pela RIKEN e pela Fujitsu, é um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, capaz de realizar mais de 400 quatrilhões de operações por segundo. Para colocar isso em perspectiva, se você começar a contar agora, um por um por segundo, seriam necessários mais de 12,7 bilhões de anos para atingir esse número (aproximadamente a idade do universo: 13,8 bilhões de anos). “Fugaku” vem do Monte Fuji e, assim como o pico alto e a base ampla da montanha, foi escolhido para simbolizar seu poder e amplo alcance.

“O Fugaku é usado para pesquisas em uma ampla gama de campos da ciência computacional, como astronomia, meteorologia e descoberta de medicamentos, contribuindo para a resolução de muitos problemas sociais”, disse Yamazaki. “Nesta ocasião, utilizamos o Fugaku para uma simulação de circuito neural.”

O supercomputador é composto de pequenas peças chamadas nós, que são agrupadas em camadas como unidades, prateleiras e racks. Juntos, esses componentes somam um total de 158.976 nós, permitindo ao Fugaku gerenciar um enorme volume de dados e cálculos.

Usando o Brain Modeling ToolKit do Allen Institute, a equipe traduziu os dados na simulação digital funcional do córtex. Um simulador de neurônios, Neulite, transformou equações em neurônios que disparam, sinalizam e vibram exatamente como seus equivalentes vivos.

Observar o córtex simulado de um rato é como observar a biologia em tempo real. Ele captura a estrutura e o comportamento reais das células cerebrais, até os ramos provenientes dos neurônios, as ativações das sinapses – os pequenos contatos que transmitem mensagens dos neurônios a montante para os ramos dos neurônios a jusante – e o fluxo e refluxo dos sinais elétricos através das membranas.

“É um feito técnico, mas é apenas o primeiro passo”, disse Yamazaki. “Deus está nos detalhes, portanto, nos modelos biofisicamente detalhados, acredito.”

“Nosso objetivo a longo prazo é construir modelos de todo o cérebro, eventualmente até mesmo modelos humanos, usando todos os detalhes biológicos que nosso Instituto está descobrindo”, disse Arkhipov. “Estamos agora passando da modelagem de áreas cerebrais individuais para a simulação de todo o cérebro do rato.”

Com este tipo de poder computacional, o objetivo de um modelo cerebral completo e biofisicamente preciso não é mais apenas ficção científica. Os cientistas estão numa nova fronteira onde compreender o cérebro significa, literalmente, ser capaz de construir um.

Esta pesquisa de ponta foi possível graças a uma equipe internacional que inclui Laura Green, Ph.D.; Beatriz Herrera, Ph.D.; Kael Dai, B.Sc.; Rin Kuriyama, M.Sc.; e Kaaya Akira, Ph.D.