Войти
OpenWorm - международный открытый научный проект по моделированию аскариды Caenorhabditis elegans на клеточном уровне как имитация. Хотя долгосрочная цель состоит в том, чтобы смоделировать все 959 клеток C. elegans, на первом этапе необходимо смоделировать движение червя путем моделирования 302 нейронов и 95 мышечных клеток. Это моделирование снизу вверх проводится сообществом OpenWorm. На момент написания этой статьи для проекта был создан физический движок Sibernetic, а модели нейронного коннектома и мышечной клетки были созданы в формате NeuroML.. Доступ к 3D-модели анатомии червя можно получить через Интернет через браузер OpenWorm. Проект OpenWorm также вносит свой вклад в разработку Geppetto, веб-платформы для многоалгоритмного и масштабного моделирования, предназначенной для поддержки моделирования всего организма.
Круглый червь Caenorhabditis elegans - это свободноживущая прозрачная нематода длиной около 1 мм, обитающая в почвах с умеренным климатом. Это типовой вид своего рода.
Взрослый червь Caenorhabditis elegans C. elegans имеет одну из простейших нервных систем среди всех организмов: его гермафродитный тип имеет всего 302 нейрона. Кроме того, структурный коннектом этих нейронов полностью проработан. Во всем теле червя C. elegans менее тысячи клеток, и, поскольку C. elegans является модельным организмом, у каждой есть уникальный идентификатор и исчерпывающая вспомогательная литература. Будучи модельным организмом, геном полностью известен, наряду со многими хорошо охарактеризованными мутантами, легко доступными, исчерпывающей литературой по поведенческим исследованиям и т. Д. С таким небольшим количеством нейронов и новыми методами кальциевой 2-фотонной микроскопии скоро появится возможность регистрировать полную нервную систему. деятельность живого организма. Манипулируя нейронами с помощью оптогенетических методов, в сочетании с вышеуказанными возможностями записи, проект находится в беспрецедентном положении, позволяющем полностью охарактеризовать нейронную динамику всего организма.
В процессе попыток построить "in silico" модель относительно простого организма, такого как C. elegans, разрабатываются новые инструменты, которые облегчат моделирование все более сложных организмов.
Проект Nemaload был создан как исследовательская программа, пытающаяся эмпирически установить соответствующие биологические факты, которые необходимы для истинного восходящего моделирования. Основатель проекта, Дэвид Дэлримпл, является соавтором проекта OpenWorm.
Хотя конечной целью является моделирование всех особенностей поведения C. elegans, проект новый, и первое поведение, которое сообщество OpenWorm решило смоделировать, - это простой двигательный ответ: учим червя ползать. Для этого виртуальный червь должен быть помещен в виртуальную среду. Должен быть установлен полный цикл обратной связи: Экологический стимул>Сенсорная трансдукция>Интернейронный запуск>Моторный нейронный сигнал>Моторный выход>Изменение окружающей среды>Сенсорная трансдукция.
Здесь есть две основные технические задачи: моделирование нейронных / электрических свойств мозга при обработке информации и моделирование механических свойств тела при его движении. Нейронные свойства моделируются моделью Ходжкина-Хаксли, а механические свойства моделируются гидродинамическим алгоритмом сглаженных частиц.
Команда OpenWorm создала движок под названием Geppetto, который может интегрировать эти алгоритмы и благодаря своей модульности сможет моделировать другие биологические системы (например, пищеварение ), над которыми команда займется позже. время.
Команда также создала среду под названием NeuroConstruct, которая может выводить нейронные структуры в NeuroML. Используя NeuroConstruct, команда реконструировала полный коннектом C. elegans.
Используя NeuroML, команда также построила модель мышечной клетки. Обратите внимание, что эти модели в настоящее время моделируют только соответствующие свойства простой двигательной реакции: нейронные / электрические и механические свойства, описанные выше.
Следующий шаг - подключить эту мышечную клетку к шести нейронам, синапсирующим с ней, и приблизить их действие.
Грубый план состоит в следующем:
По состоянию на Январь 2015 г., проект все еще ожидает экспертной оценки, и исследователи, участвующие в проекте, не хотят делать смелых заявлений о его нынешнем сходстве с биологическим поведением; координатор проекта Стивен Ларсон оценивает, что они «прошли лишь 20–30 процентов пути к тому месту, где мы должны добраться».
В 1998 году японские исследователи объявили о проекте Perfect C. elegans. Было подано предложение, но проект, похоже, был заброшен.
В 2004 году группа из Хиросимы начала проект Virtual C. elegans. Они выпустили две статьи, в которых было показано, как их моделирование будет отличаться от виртуального толчка.
В 2005 году исследователь из Техаса описал упрощенный симулятор C. elegans, основанный на 1-проводной сети, включающей цифровой процессор Parallax Basic Stamp и сенсорные входы. и двигатели. На входе использовались 16-битные аналого-цифровые преобразователи, подключенные к нейронам, моделируемым операционным усилителем, и однопроводный датчик температуры. Выходы двигателей контролировались 256-позиционными цифровыми потенциометрами и 8-битными цифровыми портами. Действие искусственных мышц было основано на нитиноловых актуаторах. В нем использовался рабочий цикл «чувство-процесс-реакция», который воссоздал несколько инстинктивных форм поведения.
Эти ранние попытки моделирования подвергались критике за то, что они не были биологически реалистичными. Хотя у нас есть полный структурный коннектом, мы не знаем синаптических весов в каждом из известных синапсов. Мы даже не знаем, являются ли синапсы тормозящими или возбуждающими. Чтобы компенсировать это, группа в Хиросиме использовала машинное обучение, чтобы найти некоторые веса синапсов, которые будут генерировать желаемое поведение. Поэтому неудивительно, что модель отображала поведение, и она может не отражать истинного понимания системы.
Сообщество Open Worm привержено идеалам открытой науки. Обычно это означает, что команда попытается публиковать в журналах с открытым доступом и включать все собранные данные (чтобы избежать проблемы файлового ящика ). Действительно, все биологические данные, собранные командой, общедоступны, а пять публикаций, которые группа опубликовала на данный момент, доступны бесплатно на их веб-сайте. Все программное обеспечение, созданное OpenWorm, полностью бесплатное и имеет открытый исходный код.
Open Worm также пробует радикально открытую модель научного сотрудничества. Команда состоит из всех, кто желает быть ее частью. Более ста «членов» подписаны на список большой технической рассылки. Среди наиболее активных участников, названных в публикации, есть сотрудники из России, Бразилии, Англии, Шотландии, Ирландии и США. Чтобы координировать эту международную деятельность, команда использует «виртуальные лабораторные встречи» и другие онлайн-инструменты, которые подробно описаны в разделе ресурсов.
