Científicos usan una supercomputadora que procesa cuatrillones de cálculos por segundo para simular la corteza cerebral

Este espectacular logro es producto de la supercomputadora Fugaku, la principal supercomputadora japonesa capaz de procesar datos a una velocidad vertiginosa, realizando cuatrillones de cálculos por segundo. De esta forma, esta copia virtual de la corteza cerebral completa de un ratón permite a los investigadores estudiar el cerebro de una forma novedosa: simulando enfermedades como el Alzheimer o la epilepsia en el mundo virtual para observar en detalle cómo se propaga el daño a través de las redes neuronales o para comprender la cognición y la conciencia. Simula tanto la forma como la función, con casi diez millones de neuronas, 26 mil millones de sinapsis y 86 regiones cerebrales interconectadas.

Los científicos pueden usar este modelo de corteza de ratón para hacer preguntas detalladas sobre lo que sucede en una enfermedad, cómo las ondas cerebrales dan forma al enfoque o cómo se propagan las convulsiones en el cerebro, y luego probar sus hipótesis. Antes de esto, estas preguntas solo podían hacerse usando tejido cerebral real, un experimento a la vez. Ahora, los investigadores pueden probar hipótesis virtualmente. Estas simulaciones pueden ayudar a encontrar respuestas para los trastornos cerebrales, revelando cómo comienzan los problemas antes de que aparezcan los síntomas, y permiten a los investigadores probar nuevos tratamientos o terapias de forma segura en un entorno digital.

"Esto demuestra que la puerta está abierta. Podemos ejecutar este tipo de simulaciones cerebrales de manera efectiva con suficiente potencia informática", comenta Anton Arkhipov, investigador del Instituto Allen que trabajó en el proyecto. "Es un hito técnico que nos da la confianza de que los modelos mucho más grandes no solo son posibles, sino también alcanzables con precisión y escala".

Esta colaboración global fusiona la experiencia en neurociencia humana con la extraordinaria potencia informática de una máquina. El Instituto Allen proporcionó el modelo y las propiedades biofísicas del cerebro virtual a través de datos reales de la Base de Datos de Tipos Celulares de Allen y el Atlas de Conectividad de Allen, y Fugaku, de Japón, dio vida a los datos.

Cabe recordar que Fugaku, desarrollado conjuntamente por RIKEN y Fujitsu, es una de las supercomputadoras más rápidas del mundo, capaz de realizar más de 400 cuatrillones de operaciones por segundo. Para ponerlo en perspectiva, si se comenzara a contar ahora mismo, una por una por segundo, se tardaría más de 12.700 millones de años en alcanzar esa cifra (aproximadamente la edad del universo: 13.800 millones de años). 'Fugaku' proviene del monte Fuji, y al igual que la alta cima y la amplia base de la montaña, fue elegido para simbolizar su poder y amplio alcance

"Fugaku se utiliza para la investigación en una amplia gama de campos de la ciencia computacional, como la astronomía, la meteorología y el descubrimiento de fármacos, lo que contribuye a la resolución de muchos problemas sociales", describen los investigadores. "En esta ocasión, utilizamos Fugaku para una simulación de circuitos neuronales".

La supercomputadora está compuesta por pequeñas partes llamadas nodos, que se agrupan en capas como unidades, estantes y bastidores. Juntos, estos componentes suman un total de 158.976 nodos, lo que permite a Fugaku gestionar un volumen masivo de datos y cálculos.

Utilizando el Brain Modeling Toolkit del Instituto Allen, el equipo tradujo los datos a la simulación digital funcional de la corteza. Un simulador de neuronas, Neulite, convirtió las ecuaciones en neuronas que se activan, emiten señales y se comunican como sus contrapartes vivas.

Observar la corteza cerebral de un ratón simulado es como observar la biología en tiempo real. Captura la estructura y el comportamiento reales de las células cerebrales, hasta las ramificaciones que provienen de las neuronas, las activaciones de las sinapsis (los diminutos contactos que transmiten mensajes desde las neuronas ascendentes a las ramificaciones de las neuronas descendentes) y el flujo y reflujo de las señales eléctricas a través de las membranas.

"Nuestro objetivo a largo plazo es construir modelos de cerebro completo, e incluso modelos humanos, utilizando todos los detalles biológicos que nuestro Instituto está descubriendo", expone Arkhipov. "Ahora estamos pasando de modelar áreas cerebrales individuales a simular todo el cerebro del ratón". Con este tipo de poder computacional, el objetivo de un modelo cerebral completo y biofísicamente preciso ya no es solo ciencia ficción. Los científicos se encuentran en una nueva frontera donde comprender el cerebro significa, literalmente, ser capaces de construir uno.