Utilitzen el supercomputador BlueGene L per simular el comportament de l’escorça cerebral

Modelització: La tasca divulgativa a la qual s'ha dedicat en els darrers anys Eduard Punset (*Barcelona, 1936), a través dels productes de Smart Planet, va generar fa unes setmanes una reedició de la vella polèmica entre reduccionistes (els qui, com Punset, pensen que tot el comportament pot reduir-se a fenòmens a nivell neuronal) i animistes. Allò que és interessant d'aquest debat és justament com es relacionen les interaccions neuronals (impulsos nerviosos, sinapsis, etc.) amb els fenòmens psicològics (consciència sensorial, programes motors voluntaris, memòria, etc.). Som ben lluny de disposar d'una teoria que vinculi nítidament els coneixements neuroquímics, neurogenètics i de neurologia cel·lular amb els estudis anatòmico-funcionals sobre el sistema nerviós central i, sobretot, amb els esquemes generals de treball de les ciències cognitives. Que siguem lluny no justifica, és clar, les temptacions animistes. Per avançar en el camí d'aquesta teoria és cert que queda molt per fer en el camp de la neurologia: projectes ambiciosos com l'Allen Brain Atlas (amb informació topològica sobre l'expressió de 20.000 gens en l'encèfal de ratolí) generen una ingent quantitat de dades sobre les quals treballar. La imatgeria cerebral ha fet avançar substancialment les nostres idees sobre la interelació entre estructura i funció en comportaments complexos. A banda de les observacions, els estudis experimentals permeten corroborar o descartar hipòtesis sobre el paper d'una determinada estructura cerebral, d'un determinat tipus de sinapsis o d'un gen en concret. A més de l'observació i de l'experimentació hi ha una tercera eina: la modelització. Per comptes d'experimentar amb material biològic, en la modelització hom treballa in silico. És el cas del projecte Blue Brain, que vol construir un cervell simulat. Com a programari compten amb un simulador neocortical que reprodueix el comportament de neurones vinculades entre elles per connexions sinàptiques. Com a maquinari han de recòrrer per fina força a un dels supercomputadors més potents que existeixen, els Blue Gene. De moment, James Frye, Rajagopal Ananthanarayanan i Dharmendra S. Modha han aconseguit fer simulacions sobre un neocòrtex virtual de 8.000.000 de neurones, amb una connectivitat d'unes 6000 sinapsis per neurona, i en una escala temporal d'un segon. Això no és gaire lluny de l'escorça cerebral de ratolí, però sí que ho és del funcionament cerebral d'un ratolí al llarg del temps i, ja no diguem, del cervell humà. Sigui com sigui, Blue Brain en els propers anys ens pot fornir dades fonamentals sobre les bases neuronals de la intel·ligència.[@more@]

La sèrie de supercomputadores BlueGene, construïdes per IBM, tenen dues funcions. De primera, els reptes en construcció i en programari. I de segon, l'aplicació d'aquestes supercomputadores en problemes biològics com ara el plegament de proteïnes, és a dir com una seqüència linial d'aminoàcids dóna lloc a una biomolècula funcional en un determinat context. Un tercer repte el constitueix la simulació neuronal, però ara per ara fins i tot el cervell d'un ratolí és fora de l'abast de BlueGene.

L'escorça cerebral en xifres

El sistema nerviós central és format per l'encèfal i la medula espinal. Dins de l'encèfal, l'estructura situada en l'extrem anterior rep el nom de telencèfal i sovint és a aquesta regió a la qual es restringeix el mot cervell. El telencèfal es troba integrat bàsicament pels dos hemisferis cerebrals. La immensa majoria de cossos neuronals, la matèria grisa, es troba en la regió perifèrica o escorça d'aquests hemisferis: aquesta és pròpiament l'escorça cerebral. El neocòrtex o isocòrtex és la part de l'escorça cerebral que recobreix la major part cara externa dels dos hemisferis i, en tots els mamífers, presenta una estratificació similar en sis capes histològiques.

L'encefalització diferencial que mostren els primats i, en particular, els humans, es deu fonamentalment al desenvolupament del neocòrtex, que constitueix un 76% de la massa encefàlica total. Dels 100.000 milions de neurones que presenta un cervell humà típic un 20% es troben en el neocòrtex. El comportament de les neurones del neocòrtex no difereix en essència del comportament general d'una neurona: els input (potencials post-sinàptics) que rep des de les sinapsis del seu arbre dendrític es tradueixen en una determinada freqüència d'impulsos nerviosos que seran transmesos a través de l'axó neuronal cap a unes altres terminals sinàptiques. Les sinapsis tradueixen l'impuls nerviós de la cèl·lula pre-sinàptic en potencials de força variable en la cèl·lula post-sinàptica. Impulsos i potencials no són més que oscil·lacions en els desajustos iònics (sodi, clorur, calci, etc.) a banda i banda de la membrana cel·lular de la neurona. Però l'aparent simplicitat electrofisiològica genera una complexitat enorme si tenim present que cada neurona pot interaccionar sinàpticament amb milers d'altres neurones (fins arribar a 10.000 o més).

L'organització del neocòrtex és prou complexa. Els estudis histològics clàssics de fa 100 anys evidenciaren l'existència de sis capes. A partir de diferències en el gruix relatiu d'aquestes capes, es van poder definir tota una sèrie d'àrees cerebrals, dedicades a funcions sensorials, motores o associatives. Més recentment hom ha observat que cadascuna d'aquestes àrees s'organitza en unitats més petites: les columnes neocorticals. Cada columna es troba integrada per 60.000 neurones. La majoria de sinapsis tenen lloc dins de la pròpia columna cortical, d'altres sinapsis són entre neurones neocorticals de diferents columnes i tan sols una minoria són sinapsis que connecten neurones neocorticals amb d'altres neurones de l'encèfal inferior o de la medula espinal.

La gran extensió del neocòrtex humà s'explica per les dimensions relatives del cap respecte de la resta del cos, de la capacitat craniana respecte del cap i de la superfície neocortical ampliada gràcies a girs i circunvolucions. En la majoria de mamífers la capacitat craniana relativa és molt més minsa, i la superfície cortical és plana. Així, en un ratolí, en part per això i per les dimensions corporals reduïdes, el nombre de neurones neocorticals és de tan sols 16 milions (menys d'una milèssima part que les humanes), per bé que la connectivitat és d'un ordre similar a l'humà (fins a 8.000 sinapsis per neurona).

Tall histològic tenyit amb el colorant SMI-32 de neocòrtex humà. Veiem neurones piramidals. A cada neurona li arriba des de sota un seguit de senyals a través del seu arbre dendrític. En la membrana del cos neuronal aquestes senyals interaccionen i poden donar lloc (o no) a un impuls nerviós que es transmetrà cap amunt a través de l'axó.

Una simulació cortical a BlueGene L

És més si pensem en els termes del cervell de ratolí que no en els del cervell humà, que podem valorar millor els treball que James Frye, Rajagopal Ananthanarayanan i Dharmendra S. Modha fan a IBM Research. I tot i treballar amb el programari més depurat i amb un dels supercomputadors de més capacitat, s'han de conformar amb reproduir mig còrtex de ratolí i tan sols durant un segon de temps operatiu. I fins i tot per reproduir el comportament d'un neocòrtex de 8.000.000 de neurones (amb una connectivitat de fins a 6.300 sinapsis per neurona) durant un segon, el BlueGene L ha d'esmerçar-hi deu segons de temps real.

La limitació temporal d'un segon s'explica perquè aquesta és justament la freqüència mitjana típica d'excitació d'una neurona neocortical de ratolí. Una simulació, més enllà d'un segon, hauria de reproduir els canvis d'estat de cada neurona i de cada sinapsi.

Malgrat les limitacions, el model de Frye, Ananthanarayanan i Modha comença a prometre. Pot treballar a una resolució temporal de menys d'1 milisegon. D'altra banda, la simulació reprodueix de manera més realista la transmissió nerviosa, on cada neurona activada envia un missatge equivalent a totes les neurones amb les quals contacte a través de terminals axòniques. També té present la plasticitat de cada sinapsi concreta: és a dir el fenòmen pel qual es reforça una sinapsi que vincula dues neurones que tendeixen a activar-se simultàniament.

Si bé la modelització tan sols reprodueix un segon de l'activitat del neocòrtex virtual, els autors observen ja les propietats dinàmiques que hom dedueix a partir dels estudis electrofisiològics sobre cervell de ratolí i d'altres models experimentals: formació espontània de grups neuronals, establiment de patrons de sincronia o disincronia que associen o dissocien l'activitat de neurones aïllades, etc.

La xarxa neuronal es troba formada per cèl·lules nervioses o neurones individualitzades. Entre neurona i neurona poden establir-se sinapsis, regions cel·lulars especialitzades que poden transmetre els impulsos nerviosos d'una cèl·lula (cèl·lula presinàptica) a una altra (cèl·lula postsinàptica). La transmissió va a càrrec d'una substància química denominada neurotransmissor, que sintetitzada i alliberada per la cèl·lula presinàptica, pot interaccionar amb receptors de la membrana de la cèl·lula postsinàptica. En principi l'alliberament de neurotransmissor és proporcional a la freqüència d'impulsos nerviosos presinàptics, però aquesta relació pot alterar-se segons els patrons de simultaneïtat entre l'activitat de les dues cel·lules

Les perspectives de Blue Brain

Els autors són conscients que hauran de treballar en l'arquitectura computacional per anar més enllà. En particular creuen que més que pensar en ampliar l'escala temporal, el nombre de neurones o la connectivitat, seria més interessant introduir d'altres factors neurobiològics que els models més simples de simulació no tenen present. Així, per exemple, les variacions anatòmiques a petita i a gran escala serien comptades, si bé el model actual ja reconeix diferències en la velocitat de transmissió dels impulsos nerviosos d'acord amb la distància interneuronal que han de recòrrer. Un altre aspecte el constituirien els neuromoduladors, substàncies químiques que sense intervindre directament en la transmissió sinàptica sí poden alterar el paper dels neurotransmissors. I, per últim, considerar també fenòmens neuronals i sinàptics més enllà dels mecanismes de plasticitat més simples.

Ara com ara, els objectius bàsics del programa Blue Brain és la de contribuir a la recerca bàsica en el camp de les ciències cognitives i, més concretament, a integrar el comportament neuronal individual amb grans patrons de comportament a nivell de cada columna cortical i del neocòrtex en general. Les aplicacions en intel·ligència artificial són més complexes i segurament la virtut que tindrà en aquest camp serà demostrar si imitar les connexions neuronals és una bona forma o no d'avançar-hi.

Lligams:

Towards Real-Time, Mouse-Scale Cortical Simulations. James Frye, Rajagopal Ananthanarayanan and Dharmendra S. Modha. IBM Research Report, 5 de febrer del 2007

Mouse brain simulated on computer, BBC News.

Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada