En exploitant la puissance de l'un des superordinateurs les plus rapides au monde, les chercheurs ont construit l'une des simulations cérébrales biophysiquement réalistes d'un animal les plus grandes et les plus détaillées jamais réalisées. Cette copie virtuelle d'un cortex entier de souris permet aux chercheurs d'étudier le cerveau d'une manière nouvelle : en simulant des maladies comme la maladie d'Alzheimer ou l'épilepsie dans le monde virtuel pour observer en détail comment les dommages se propagent à travers les réseaux neuronaux ou en comprenant la cognition et la conscience. Il simule à la fois la forme et la fonction, avec près de dix millions de neurones, 26 milliards de synapses et 86 régions cérébrales interconnectées.
Cette réalisation spectaculaire est le produit du supercalculateur Fugaku, le supercalculateur phare du Japon, capable de traiter les données plus rapidement que nous ne pouvons cligner des yeux, avec des quadrillions de calculs par seconde. Des scientifiques de l'Institut Allen et Tadashi Yamazaki, Ph.D., de l'Université japonaise des communications électroniques, ainsi que trois autres organisations japonaises, ont dirigé le projet. Un prochain article dévoilera cette réalisation lors du SC25, la première conférence mondiale sur le calcul intensif qui aura lieu à la mi-novembre.
Les scientifiques peuvent utiliser ce modèle de cortex de souris pour poser des questions détaillées sur ce qui se passe dans une maladie, comment les ondes cérébrales façonnent la concentration ou comment les crises se propagent dans le cerveau, puis tester leurs hypothèses. Avant cela, ces questions ne pouvaient être posées qu’en utilisant du tissu cérébral réel, une expérience à la fois. Désormais, les chercheurs peuvent tester virtuellement leurs hypothèses. Ces simulations peuvent aider à trouver des réponses aux troubles cérébraux, révélant comment les problèmes commencent avant l’apparition des symptômes, et permettre aux chercheurs de tester de nouveaux traitements ou thérapies en toute sécurité dans un environnement numérique.
« Cela montre que la porte est ouverte. Nous pouvons exécuter efficacement ce type de simulations cérébrales avec suffisamment de puissance de calcul », a déclaré Anton Arkhipov, Ph.D., chercheur à l'Institut Allen qui a travaillé sur le projet. « C'est une étape technique qui nous donne l'assurance que des modèles beaucoup plus grands sont non seulement possibles, mais réalisables avec précision et échelle. »
Cette collaboration mondiale fusionne l’expertise en neurosciences humaines avec la remarquable puissance de calcul d’une machine. L'Institut Allen a fourni le modèle et les propriétés biophysiques du cerveau virtuel grâce à des données réelles provenant de la base de données Allen Cell Types et de l'Allen Connectivity Atlas, et le Fugaku du Japon a donné vie aux données.
Comment les chercheurs ont créé la simulation complète du cortex
Fugaku, développé conjointement par RIKEN et Fujitsu, est l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde, capable d'effectuer plus de 400 quadrillions d'opérations par seconde. Pour mettre cela en perspective, si vous commenciez à compter dès maintenant, un par un par seconde, il faudrait plus de 12,7 milliards d’années pour atteindre ce nombre (environ l’âge de l’univers : 13,8 milliards d’années). « Fugaku » vient du mont Fuji et, tout comme le sommet élevé et la large base de la montagne, il a été choisi pour symboliser sa puissance et sa vaste portée.
Fugaku est utilisé pour la recherche dans un large éventail de domaines scientifiques informatiques, tels que l'astronomie, la météorologie et la découverte de médicaments, contribuant ainsi à la résolution de nombreux problèmes de société. A cette occasion, nous avons utilisé Fugaku pour une simulation de circuit neuronal. »
Tadashi Yamazaki, Ph.D., Université japonaise des communications électroniques
Le supercalculateur est constitué de petites pièces appelées nœuds, regroupées en couches telles que des unités, des étagères et des racks. Ensemble, ces composants totalisent 158 976 nœuds, permettant à Fugaku de gérer un volume massif de données et de calculs.
À l’aide du Brain Modeling ToolKit de l’Allen Institute, l’équipe a traduit les données en simulation numérique fonctionnelle du cortex. Un simulateur de neurones, Neulite, a transformé les équations en neurones qui se déclenchent, signalent et bavardent, tout comme leurs homologues vivants.
Regarder un cortex de souris simulé, c'est comme regarder la biologie en temps réel. Il capture la structure et le comportement réels des cellules cérébrales, jusqu'aux branches provenant des neurones, les activations des synapses – les minuscules contacts transmettant les messages des neurones en amont aux branches des neurones en aval – et le flux et reflux des signaux électriques à travers les membranes. « C'est une prouesse technique, mais ce n'est que la première étape », a déclaré Yamazaki. « Dieu est dans les détails, donc dans les modèles biophysiques détaillés, je crois »,
« Notre objectif à long terme est de construire des modèles du cerveau entier, éventuellement même des modèles humains, en utilisant tous les détails biologiques découverts par notre institut », a déclaré Arkhipov. « Nous passons désormais de la modélisation de zones cérébrales uniques à la simulation du cerveau entier de la souris. » Avec ce type de puissance de calcul, l’objectif d’un modèle cérébral complet et biophysiquement précis n’est plus seulement de la science-fiction. Les scientifiques se trouvent dans une nouvelle frontière où comprendre le cerveau signifie, littéralement, être capable d’en construire un.
Cette recherche de pointe a été rendue possible grâce à une équipe internationale comprenant Laura Green, Ph.D. ; Beatriz Herrera, Ph.D. ; Kael Dai, B.Sc. ; Rin Kuriyama, M.Sc. ; et Kaaya Akira, Ph.D.
