GENESIS (oprogramowanie)

GENEZA
Oryginalni autorzy	Dr James M. Bower
Pierwsze wydanie	1988
Wersja stabilna	2.4 / listopad 2014 ; 8 lat temu
Magazyn	github.com/genesis-sim/genesis-2 .4 _ _ _ ;
Napisane w	C
System operacyjny	Unix-like , macOS , Windows (przy użyciu Cygwin )
Typ	Środowisko symulacyjne
Licencja	GPL
Strona internetowa	genesis-sim .org

GENESIS (The General Neural Simulation System ) to środowisko symulacyjne do konstruowania realistycznych modeli systemów neurobiologicznych na wielu poziomach skali, w tym: procesów subkomórkowych, pojedynczych neuronów, sieci neuronów i układów neuronalnych. Symulacje te to „komputerowe implementacje modeli, których głównym celem jest uchwycenie tego, co wiadomo o strukturze anatomicznej i cechach fizjologicznych interesującego układu nerwowego”. GENESIS ma na celu ilościowe określenie fizycznych ram układu nerwowego w sposób, który pozwala na łatwe zrozumienie fizycznej struktury danych nerwów. „Obecnie tylko GENESIS umożliwia równoległe modelowanie pojedynczych neuronów i sieci na komputerach równoległych z wieloma instrukcjami i wieloma danymi”. Rozwój oprogramowania GENESIS rozprzestrzenił się z jego domu w Caltech do laboratoriów w University of Texas w San Antonio , University of Antwerp , National Center for Biological Sciences w Bangalore, University of Colorado , Pittsburgh Supercomputing Center , San Diego Supercomputer Center i Emory University .

Neurony i systemy neuronowe

GENESIS działa poprzez tworzenie środowisk symulacyjnych do konstruowania modeli neuronów lub systemów neuronowych . " Komórki nerwowe są zdolne do komunikowania się ze sobą w tak wysoce ustrukturyzowany sposób, że tworzą sieci neuronowe. Aby zrozumieć sieci neuronowe, konieczne jest zrozumienie sposobów, w jakie jeden neuron komunikuje się z drugim za pośrednictwem połączeń synaptycznych i procesu zwanego transmisją synaptyczną ". Neurony mają wyspecjalizowaną strukturę do swoich funkcji, „różnią się od większości innych komórek w ciele tym, że są spolaryzowane i mają odrębne regiony morfologiczne, z których każdy ma określone funkcje”. Dwa ważne regiony neuronu to dendryt i akson . „Dendryty to region, w którym jeden neuron otrzymuje połączenia od innych neuronów. Ciało komórki lub soma zawiera jądro i inne organelle niezbędne do funkcjonowania komórki. Akson jest kluczowym elementem komórek nerwowych, przez który informacje są przekazywane z jednej części neuronu (np. ciała komórki) do końcowych regionów neuronu”. Trzecią ważną częścią neuronu jest synapsa . „Synapsa jest końcowym regionem aksonu, w którym jeden neuron tworzy połączenie z innym i przekazuje informacje w procesie transmisji synaptycznej”.

Sieci neuronowe, takie jak te symulowane za pomocą oprogramowania GENESIS, mogą szybko stać się bardzo złożone i trudne do zrozumienia. „Zaledwie kilka połączonych ze sobą neuronów (mikroukład) może wykonywać skomplikowane zadania, takie jak pośredniczenie w odruchach, przetwarzanie informacji sensorycznych, generowanie ruchu oraz pośredniczenie w uczeniu się i zapamiętywaniu. Jeszcze bardziej złożone sieci, makroobwody, składają się z wielu wbudowanych mikroukładów. Makroobwody pośredniczą w wyższych funkcjach mózgu, takich jak jako rozpoznawanie i poznanie obiektów”. GENESIS stara się symulować systemy neuronowe występujące w przyrodzie. Często „neuron może odbierać kontakty od maksymalnie 10 000 neuronów presynaptycznych, a z kolei każdy jeden neuron może kontaktować się z maksymalnie 10 000 neuronów postsynaptycznych. Możliwość kombinatoryczna może prowadzić do niezwykle złożonych obwodów neuronalnych lub topologii sieci, które mogą być bardzo trudne do zrozumienia".

Historia

GENESIS został opracowany przez dr Jamesa M. Bowera w laboratorium Caltech i po raz pierwszy udostępniony publicznie w 1988 roku w związku z pierwszym kursem Methods in Computational Neuroscience Course w Marine Biological Laboratory w Woods Hole, MA. Pełny kod źródłowy oprogramowania został wydany w tym samym roku w ramach otwartego modelu oprogramowania do programowania. Jest teraz wspierany przez Computational Biology Initiative na University of Texas w San Antonio i jest dostępny bezpłatnie wraz z samouczkami dotyczącymi jego użytkowania. P-GENESIS, równoległa wersja GENESIS, została po raz pierwszy uruchomiona w 1990 roku na Intel Delta, który był prototypem rodziny masowo równoległych superkomputerów Intel Paragon .

Jak działa GENESIS

GENESIS jest przydatny w tworzeniu środowiska symulacyjnego do konstruowania modeli systemów neurobiologicznych, takich jak:

System GENESIS jest skomplikowany, ale stosunkowo łatwy w użyciu.

Interfejs

Osoba może wprowadzać polecenia na jeden z trzech sposobów: pliki skryptów, graficzny interfejs użytkownika lub powłoka poleceń GENESIS. Polecenia te są następnie przetwarzane przez interpreter języka skryptowego. „Interpreter języka skryptowego przetwarza polecenia wprowadzane za pomocą klawiatury, plików skryptów lub graficznego interfejsu użytkownika i przekazuje je do silnika symulacyjnego GENESIS. Silnik symulacyjny ładuje również skompilowane biblioteki obiektów, odczytuje i zapisuje pliki danych oraz współdziała z graficznym interfejs użytkownika". Poniżej znajduje się graficzna reprezentacja procesu wprowadzania danych przez użytkownika i przykładowy wynik GENESIS.

Jak działa GENESIS i wyjście graficzne

Aplikacje

Większość obecnych aplikacji GENESIS obejmuje realistyczne symulacje systemów biologicznych. Jest zwykle używany do symulacji zachowania większych struktur mózgu, na przykład kory mózgowej . Badania te najczęściej odbywają się na kursach laboratoryjnych z symulacji neuronowej w Caltech i Marine Biological Laboratory w Woods Hole w stanie Massachusetts.

GENESIS może być używany w połączeniu z oprogramowaniem NEURON Uniwersytetu Yale jako środek współpracy naukowców w celu stworzenia fizycznego opisu układu nerwowego. Oprogramowanie GENESIS może być również używane z Kinetikit do modelowania ścieżek transdukcji sygnału.

GENESIS był używany w wielu badaniach. Niektóre z tych badań obejmują badania, które koncentrują się na rozwoju oprogramowania, które byłoby przydatne w wielu dyscyplinach. Inne to badania neuronów, takich jak komórki Purkinjego . Badania te wykorzystały GENESIS do symulacji komórek Purkinjego i mogą być przydatne do planowania i opracowywania późniejszych eksperymentów z wykorzystaniem oprogramowania GENESIS.

Oprogramowanie może mieć również zastosowania biomedyczne. Na przykład firma St. Jude Medical w Europie opracowała wszczepione urządzenie GENESIS.

Zobacz też

Publikacje

The Book of GENESIS: Exploring Realistic Neural Models with the General NEural Simulation System , Springer, (1998), ISBN 978-0-387-94938-3

Linki zewnętrzne