OpenWorm - OpenWorm

OpenWorm to międzynarodowa otwarta nauka projekt do symulacji glisty Caenorhabditis elegans na poziomie komórkowym jako symulacji . Chociaż długofalowym celem jest modelowanie wszystkich 959 komórek C. elegans , pierwszym etapem jest modelowanie poruszania się robaka poprzez symulację 302 neuronów i 95 komórek mięśniowych. Ta oddolna symulacja jest prowadzona przez społeczność OpenWorm. W chwili pisania tego tekstu na potrzeby projektu zbudowano silnik fizyki o nazwie Sibernetic, a modele konektomu nerwowego i komórki mięśniowej stworzono w formacie NeuroML . Model 3D anatomii robaka można uzyskać przez Internet za pośrednictwem przeglądarki OpenWorm. Projekt OpenWorm przyczynia się również do opracowania Geppetto, internetowej wieloalgorytmowej i wieloskalowej platformy symulacyjnej zaprojektowanej do wspierania symulacji całego organizmu.

Tło: C. elegans

Glista Caenorhabditis elegans jest wolno żyjącym, przezroczystym nicieniem o długości około 1 mm, żyjącym w umiarkowanych warunkach glebowych. Jest to typowy gatunek swojego rodzaju.

Dorosły robak Caenorhabditis elegans

C. elegans ma jeden z najprostszych układów nerwowych każdego organizmu, przy czym typ hermafrodyty ma tylko 302 neurony. Co więcej, strukturalny konektom tych neuronów jest w pełni opracowany. Są mniej niż tysiąc komórek w całym ciele C. elegans ślimaka i dlatego, C. elegans jest modelowym organizmem każda ma jednoznaczny identyfikator i kompleksowej literatury nośną. Będąc organizmem modelowym, genom jest w pełni znany, podobnie jak wiele dobrze scharakteryzowanych mutantów, łatwo dostępnych, obszerna literatura badań behawioralnych itp. Przy tak małej liczbie neuronów i nowych technikach mikroskopii fotonowej wapnia 2 powinno być wkrótce możliwe zarejestrowanie całego układu nerwowego. aktywność żywego organizmu. Dzięki manipulowaniu neuronami za pomocą technik optogenetycznych, w połączeniu z powyższymi możliwościami rejestrowania, projekt jest w bezprecedensowej pozycji, aby móc w pełni scharakteryzować dynamikę neuronalną 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 symulacja wszystkich cech zachowania C. elegans , projekt jest nowy, a pierwszym zachowaniem, które społeczność OpenWorm zdecydowała się zasymulować, jest prosta reakcja motoryczna: nauczenie robaka raczkowania. W tym celu wirtualny robak musi zostać umieszczony w środowisku wirtualnym. Należy utworzyć pełną pętlę sprzężenia zwrotnego: Bodziec środowiskowy > Transdukcja czuciowa > Odpalanie interneuronów > Odpalanie neuronów ruchowych > Moc wyjściowa silnika > Zmiana środowiska > Transdukcja czuciowa.

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

Zespół OpenWorm zbudował silnik o nazwie Geppetto, który może zintegrować 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 także środowisko o nazwie NeuroConstruct, które jest w stanie wyprowadzać struktury neuronowe w NeuroML . Wykorzystując NeuroConstruct zespół zrekonstruował pełny konektom C. elegans .

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

Następnym krokiem jest połączenie tej komórki mięśniowej z sześcioma neuronami, które się na niej synapsują i przybliżają ich działanie.

Ogólny plan polega więc na tym, aby:

  • Przybliż synapsy, które synapsują na tych neuronach
  • Powtórz ten proces dla innych komórek mięśniowych

Postęp

Od stycznia 2015 r. projekt wciąż czeka na recenzję, a naukowcy zaangażowani w projekt niechętnie wysuwają śmiałe twierdzenia o jego obecnym podobieństwie do zachowań biologicznych; koordynator projektu, Stephen Larson, szacuje, że to „tylko 20 do 30 procent drogi do celu, do którego musimy dotrzeć”.

Powiązane projekty

W 1998 roku japońscy naukowcy ogłosili projekt Perfect C. elegans. Wniosek został złożony, ale wydaje się, że projekt został porzucony.

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

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 silnikowe. Wejścia wykorzystywały 16-bitowe przetworniki A/D dołączone do neuronów symulowanych przez wzmacniacz operacyjny oraz 1-przewodowy czujnik temperatury. Wyjścia silników były sterowane za pomocą 256-pozycyjnych potencjometrów cyfrowych i 8-bitowych portów cyfrowych. Sztuczne działanie mięśni opierało się na aktywatorach Nitinol. Używał pętli operacyjnej „sens-proces-react”, która odtwarzała kilka instynktownych zachowań.

Te wczesne próby symulacji były krytykowane za to, że nie są biologicznie realistyczne. Chociaż dysponujemy kompletnym konektomem strukturalnym, nie znamy wag synaptycznych w każdej ze znanych synaps. Nie wiemy nawet, czy synapsy działają hamująco, czy pobudzająco. Aby to zrekompensować, grupa z Hiroszimy wykorzystała uczenie maszynowe do znalezienia pewnych wag synaps, które generowałyby pożądane zachowanie. Nie jest zatem niespodzianką, że model wykazał zachowanie i może nie odzwierciedlać prawdziwego zrozumienia systemu.

Otwarta nauka

Społeczność OpenWorm jest oddana ideałom otwartej nauki . Ogólnie oznacza to, że zespół będzie starał się publikować w czasopismach o otwartym dostępie i uwzględniać wszystkie zebrane dane (aby uniknąć problemu z szufladą plików ). Rzeczywiście, wszystkie dane biologiczne zgromadzone przez zespół są publicznie dostępne, a pięć publikacji, które grupa do tej pory opublikowała, jest dostępnych bezpłatnie na ich stronie internetowej. Całe oprogramowanie, które wyprodukował OpenWorm, jest całkowicie bezpłatne i otwarte.

OpenWorm próbuje również radykalnie otwartego modelu współpracy naukowej. Zespół składa się z każdego, kto chce być jego częścią. Istnieje ponad stu „członków”, którzy zapisali się na techniczną listę mailingową o dużej objętości. Wśród najbardziej aktywnych członków wymienionych w publikacji znajdują się współpracownicy z Rosji, Brazylii, Anglii, Szkocji, Irlandii i Stanów Zjednoczonych. Aby koordynować ten międzynarodowy wysiłek, zespół wykorzystuje „wirtualne spotkania laboratoryjne” i inne narzędzia internetowe, które są szczegółowo opisane w sekcji zasobów.

Bibliografia

Zewnętrzne linki