OpenWorm

OpenWorm to międzynarodowy projekt otwartej nauki mający na celu symulację glisty Caenorhabditis elegans na poziomie komórkowym. Chociaż celem długoterminowym jest modelowanie wszystkich 959 komórek C. elegans , pierwszym etapem jest modelowanie ruchu robaka poprzez symulację 302 neuronów i 95 komórek mięśniowych. Ta oddolna symulacja jest prowadzona przez społeczność OpenWorm.

na potrzeby projektu zbudowano silnik fizyczny o nazwie Sibernetic oraz utworzono modele konektomu neuronowego i komórki mięśniowej w formacie NeuroML . Dostęp do modelu 3D anatomii robaka można uzyskać przez Internet za pośrednictwem przeglądarki OpenWorm. Projekt OpenWorm przyczynia się również do rozwoju Geppetto, opartej na wielu algorytmach i wieloskalowej internetowej platformy symulacyjnej, zaprojektowanej do wspierania symulacji całego organizmu.

Tło: C. elegans

Glista Caenorhabditis elegans to wolno żyjący, przezroczysty nicień o długości około 1 mm, żyjący w umiarkowanych środowiskach glebowych. Jest to gatunek typowy w swoim rodzaju.

Dorosły robak Caenorhabditis elegans

C. elegans ma jeden z najprostszych układów nerwowych ze wszystkich organizmów, a jego typ hermafrodyty ma tylko 302 neurony. Ponadto konektom strukturalny tych neuronów jest w pełni opracowany. W całym ciele robaka C. elegans znajduje się mniej niż tysiąc komórek , a ponieważ C. elegans jest organizmem modelowym , każdy ma unikalny identyfikator i obszerną literaturę pomocniczą. Będąc organizmem modelowym, genom jest w pełni znany, wraz z wieloma łatwo dostępnymi dobrze scharakteryzowanymi mutantami oraz obszerną literaturą dotyczącą badań behawioralnych. Przy tak małej liczbie neuronów i nowych technikach 2-fotonowej mikroskopii wapnia wkrótce powinno być możliwe zarejestrowanie pełnej aktywności nerwowej żywego organizmu. Manipulując neuronami za pomocą optogenetycznych , w połączeniu z powyższymi możliwościami rejestrowania, projekt znajduje się w bezprecedensowej sytuacji, aby móc w pełni scharakteryzować dynamikę neuronową całego organizmu.

W trakcie prób zbudowania modelu „in silico” stosunkowo prostego organizmu, takiego jak C. elegans , opracowywane są nowe narzędzia, które ułatwią modelowanie coraz bardziej złożonych organizmów.

Projekt OpenWorm

Chociaż ostatecznym celem jest zasymulowanie wszystkich cech zachowania C. elegans , projekt jest nowy, a pierwszym zachowaniem, które społeczność OpenWorm postanowiła zasymulować, jest prosta reakcja motoryczna: nauczenie robaka pełzania. W tym celu robak wirtualny musi zostać umieszczony w środowisku wirtualnym. Należy ustanowić pełną pętlę sprzężenia zwrotnego: bodziec środowiskowy > transdukcja sensoryczna > wypalanie interneuronów > wypalanie neuronów ruchowych > wyjście motoryczne > zmiana środowiska > transdukcja sensoryczna.

Istnieją tutaj dwa główne wyzwania techniczne: modelowanie właściwości neuronowych/elektrycznych mózgu podczas przetwarzania informacji oraz modelowanie właściwości mechanicznych ciała podczas jego ruchu. Właściwości neuronowe są modelowane za pomocą modelu Hodgkina-Huxleya , a właściwości mechaniczne są modelowane za pomocą algorytmu Smoothed Particle Hydrodynamics .

Zespół OpenWorm zbudował silnik o nazwie Geppetto, który może integrować te algorytmy, a dzięki swojej modułowości będzie w stanie modelować inne systemy biologiczne (takie jak trawienie ), którymi zespół zajmie się w późniejszym czasie.

Zespół zbudował również środowisko o nazwie NeuroConstruct, które jest w stanie generować struktury neuronowe w NeuroML . Korzystając z NeuroConstruct, zespół zrekonstruował pełny konektom C. elegans .

Korzystając z NeuroML, zespół zbudował również model komórki mięśniowej. Należy zauważyć, że modele te obecnie modelują tylko istotne właściwości prostej odpowiedzi motorycznej: właściwości neuronowe/elektryczne i właściwości mechaniczne omówione powyżej.

Następnym krokiem jest połączenie tej komórki mięśniowej z sześcioma neuronami, które na niej synapsują, i przybliżenie ich działania.

Z grubsza plan jest taki, aby oba:

Przybliż synapsy, które tworzą synapsy na tych neuronach
Powtórz proces dla innych komórek mięśniowych

Postęp

Od stycznia 2015 r. projekt nadal oczekuje na recenzję, a zaangażowani w niego badacze niechętnie wysuwają odważne twierdzenia na temat jego obecnego podobieństwa do zachowań biologicznych; koordynator projektu Stephen Larson szacuje, że są to „zaledwie 20 do 30 procent drogi do celu”.

Od 2021 r. Nie osiągnięto jeszcze emulacji całego mózgu .

Powiązane projekty

W 1998 roku japońscy naukowcy ogłosili projekt Perfect C. elegans. Złożono propozycję, ale wygląda na to, że projekt został porzucony.

W 2004 roku grupa z Hiroszimy rozpoczęła projekt Virtual C. elegans. Opublikowali dwa artykuły, które pokazały, w jaki sposób ich symulacja wycofałaby się z wirtualnego popychania.

W 2005 roku badacz z Teksasu opisał uproszczony symulator C. elegans oparty na sieci 1-przewodowej, zawierającej cyfrowy procesor Parallax Basic Stamp, wejścia sensoryczne i wyjścia silnika. Wejścia wykorzystywały 16-bitowe przetworniki A/D podłączone do symulowanych neuronów wzmacniacza operacyjnego i 1-przewodowego czujnika temperatury. Wyjścia silnika były kontrolowane przez 256-pozycyjne potencjometry cyfrowe i 8-bitowe porty cyfrowe. Sztuczna praca mięśni została oparta na siłownikach Nitinol. Wykorzystywał pętlę operacyjną „wyczuwanie-proces-reakcja”, która odtwarzała kilka instynktownych zachowań.

Te wczesne próby symulacji były krytykowane za brak realizmu biologicznego. Chociaż mamy kompletny konektom strukturalny, nie znamy wag synaptycznych w każdej ze znanych synaps. Nie wiemy nawet, czy synapsy są hamujące, czy pobudzające. Aby to zrekompensować, grupa z Hiroszimy wykorzystała uczenie maszynowe, aby znaleźć pewne wagi synaps, które generowałyby pożądane zachowanie. Nie jest więc niespodzianką, że model pokazał zachowanie i może nie odzwierciedlać prawdziwego zrozumienia systemu.

Otwarta nauka

Społeczność OpenWorm jest oddana ideałom otwartej nauki . Zasadniczo oznacza to, że zespół będzie próbował publikować w czasopismach o otwartym dostępie i uwzględniać wszystkie zebrane dane (aby uniknąć problemu szuflady plików ). Rzeczywiście, wszystkie dane biologiczne zebrane przez zespół są publicznie dostępne, a pięć publikacji opublikowanych do tej pory przez grupę jest dostępnych bezpłatnie na ich stronie internetowej. Całe oprogramowanie stworzone przez OpenWorm jest całkowicie darmowe i ma otwarte źródła.

OpenWorm próbuje również radykalnie otwartego modelu współpracy naukowej. Zespół składa się z każdego, kto chce być jego częścią. Istnieje ponad stu „członków”, którzy są zapisani na techniczną listę mailingową o dużej objętości. Wśród najaktywniejszych członków wymienionych w publikacji są współpracownicy z Rosji, Brazylii, Anglii, Szkocji, Irlandii i Stanów Zjednoczonych. Aby koordynować te międzynarodowe wysiłki, zespół korzysta z „wirtualnych spotkań laboratoryjnych” i innych narzędzi online, które są szczegółowo opisane w sekcji zasobów.

Linki zewnętrzne