WikiDer > OpenWorm

OpenWorm

OpenWorm международный открытая наука проект по имитации аскариды Caenorhabditis elegans на клеточном уровне как симуляция.[1][2][3] Хотя долгосрочная цель - смоделировать все 959 ячеек C. elegans, первый этап - моделирование передвижения червя путем моделирования 302 нейронов и 95 мышечных клеток. Это моделирование снизу вверх проводится сообществом OpenWorm. На момент написания этой статьи физический движок назывался Сибирский был построен для проекта и модели нейронной коннектом и мышечная клетка была создана в NeuroML формат. Доступ к 3D-модели анатомии червя можно получить через Интернет через браузер OpenWorm. Проект OpenWorm также способствует развитию Geppetto,[4] Многоалгоритмная и многомасштабная веб-платформа для моделирования, разработанная для поддержки моделирования всего организма.[5]

Фон: C. elegans

Аскариды Caenorhabditis elegans свободно живущий, прозрачный нематодадлиной около 1 мм,[6] который живет в умеренных почвах. Это типовой вид своего рода.[7]

Взрослый червь Caenorhabditis elegans

C. elegans имеет одну из самых простых нервных систем любого организма, с ее гермафродит тип, имеющий всего 302 нейрона. Кроме того, структурные коннектом из этих нейронов полностью выработана. Во всем теле человека меньше тысячи клеток. C. elegans червь, а потому К. Элеганс это модельный организм, каждый имеет уникальный идентификатор и исчерпывающую вспомогательную литературу. Будучи модельным организмом, геном полностью известен, наряду со многими хорошо охарактеризованными мутантами, легко доступными, исчерпывающей литературой по поведенческим исследованиям и т.д. 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 попытки построить «in silico» модель относительно простого организма, такого как C. elegans, разрабатываются новые инструменты, которые упростят моделирование все более сложных организмов.

NemaLoad

Проект Nemaload [8] был создан как исследовательская программа, пытающаяся эмпирически установить соответствующие биологические факты, которые необходимы для истинного моделирования снизу вверх. Основатель проекта, Дэвид Дэлримпл, является соавтором проекта OpenWorm.

Проект OpenWorm

Хотя конечная цель - смоделировать все особенности C. elegans ' Это новый проект, и первое поведение, которое сообщество OpenWorm решило смоделировать, - это простая двигательная реакция: обучение червя ползанию. 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> Сенсорное преобразование.

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 с помощью Модель Ходжкина-Хаксли, а механические свойства моделируются с помощью алгоритма гидродинамики сглаженных частиц.

Команда OpenWorm создала движок под названием Geppetto, который мог бы интегрировать эти алгоритмы и благодаря своей модульности сможет моделировать другие биологические системы (например, пищеварение), с которым команда займется позже.

Команда также создала среду под названием NeuroConstruct, которая может выводить нейронные структуры в NeuroML. Используя NeuroConstruct, команда полностью реконструировала 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.

Приблизительный план состоит в следующем:

  • Примерно синапсы, которые синапсами на этих нейронах
  • Повторите процесс для других мышечных клеток.

Прогресс

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, чего мы должны достичь».[9]

Связанные проекты

В 1998 году японские исследователи объявили о проекте Perfect C. elegans. Предложение было подано, но проект, похоже, был заброшен.[10][11]

В 2004 году группа из Хиросимы начала проект Virtual C. elegans. Они выпустили две статьи, в которых было показано, как их симуляция будет отличаться от виртуального толчка.[12][13]

В 2005 году исследователь из Техаса описал упрощенный симулятор C. elegans, основанный на 1-проводной сети, включающей цифровой процессор Parallax Basic Stamp, сенсорные входы и моторные выходы. На входе использовались 16-битные аналого-цифровые преобразователи, подключенные к нейронам, моделируемым операционным усилителем, и однопроводной датчик температуры. Выходы двигателей контролировались 256-позиционными цифровыми потенциометрами и 8-битными цифровыми портами. Действие искусственных мышц было основано на нитиноловых актуаторах. Он использовал рабочий цикл «чувство-процесс-реакция», который воссоздал несколько инстинктивных моделей поведения.[14]

Эти ранние попытки моделирования подвергались критике за то, что они не были биологически реалистичными. Хотя у нас есть полный структурный коннектом, мы не знаем синаптические веса 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.

Открытая наука

Сообщество Open Worm привержено идеалам открытая наука. Обычно это означает, что команда попытается опубликовать в журналах с открытым доступом и включить все собранные данные (чтобы избежать проблема с файловым ящиком). Действительно, все биологические данные, которые собрала команда, общедоступны, а пять публикаций, опубликованных группой, 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 хочет 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 эти международные усилия, команда использует «виртуальные лабораторные встречи» и другие онлайн-инструменты, которые подробно описаны в разделе ресурсов.

Рекомендации

  1. ^ Чиргвин, Ричард (5 мая 2014 г.). «Что это за ПАРАЗИТ, извивающийся в моем браузере? Любители нематод открывают своих червей на Kickstarter». Реестр.
  2. ^ Пальянов, Андрей; Хайрулин, Сергей; Ларсон, Стивен Д .; Диберт, Александр (01.01.2012). «На пути к виртуальной C. elegans: структура для моделирования и визуализации нервно-мышечной системы в трехмерной физической среде». В биологии Silico. 11 (3): 137–147. Дои:10.3233 / isb-2012-0445. ISSN 1386-6338. PMID 22935967.
  3. ^ Гевалтиг, Марк-Оливер; Кэннон, Роберт (2014-01-23). «Текущая практика разработки программного обеспечения для вычислительной нейробиологии и способы ее улучшения». PLOS вычислительная биология. 10 (1): e1003376. Bibcode:2014PLSCB..10E3376G. Дои:10.1371 / journal.pcbi.1003376. ISSN 1553-7358. ЧВК 3900372. PMID 24465191.
  4. ^ Джеппетто
  5. ^ Такахаши, декан (30 апреля 2014 г.). «Openworm станет цифровым организмом в вашем браузере». VentureBeat.
  6. ^ Вуд, WB (1988). Нематода Caenorhabditis elegans. Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор. п. 1. ISBN 978-0-87969-433-3.
  7. ^ Судхаус В., Кионтке К. (2009). "Филогения Рабдит подрод Caenorhabditis (Rhabditidae, Nematoda) ». Журнал зоологической систематики и эволюционных исследований. 34 (4): 217–233. Дои:10.1111 / j.1439-0469.1996.tb00827.x.
  8. ^ NemaLoad
  9. ^ Шедболт, Питер (21 января 2015 г.). «Ученые загружают разум червя в робота Lego». CNN.
  10. ^ Китано, Хироаки; Хамахаши, Сюго; Люк, Шон (апрель 1998 г.). «Проект Perfect C. ELEGANS: предварительный отчет». Искусственная жизнь. 4 (2): 141–156. CiteSeerX 10.1.1.25.8565. Дои:10.1162/106454698568495. ISSN 1064-5462. PMID 9847421.
  11. ^ Кауфман, Джефф (2 ноября 2011 г.). «Эмуляция всего мозга и нематоды».
  12. ^ Судзуки, Мичие; Гото, Такеши; Цудзи, Тошио; Отаке, Хисао (2005). «Динамическая модель тела нематоды C. elegans с нейронными осцилляторами» (PDF). Журнал робототехники и мехатроники. 17 (3): 318–326. Дои:10.20965 / jrm.2005.p0318.
  13. ^ Судзуки, Мичие; Цудзи, Тошио; Отаке, Хисао (сентябрь 2005 г.). «Модель моторного контроля нематоды C. elegans с помощью нейронных цепей» (PDF). Искусственный интеллект в медицине. 35 (1–2): 75–86. Дои:10.1016 / j.artmed.2005.01.008. ISSN 0933-3657. PMID 16084704.
  14. ^ Френджер, Пол (2005). Простой эмулятор нервной системы C. elegans. Хьюстонская конференция биомедицинских инженерных исследований. п. 192.

внешняя ссылка