OpenWorm Project (Open Project)
Проект OpenWorm (открытый проект)
OpenWorm is an open-source software project, an attempt to build a complete cellular-level simulation of the nematode worm C. elegans, including all 302 neurons.
OpenWorm project Coordinator - Stephen Larson
See also pages: OpenWorm (Homepage) | Documentation (Wiki pages) | Documentation (Google Docs) | Presentation slides (PDF, April 2011) | OpenWorm blog | Mailing list (Google groups)
Оглавление
Краткое описание проекта - Project Description
Хроника проекта - Project Timeline
Структура проекта - Project Research Areas
Участники проекта - Project Participants
Взаимосвязанные проекты - Related Projects
Ссылки на источники информации - References
Краткое описание проекта - Project Description
Проект OpenWorm - это попытка создать полную имитацию на клеточном уровне свободно живущей в почве нематоды (круглого червя) Caenorhabditis elegans (C. elegans), нервная система которой включает всего 302 нейрона.
Этот проект в настоящее время рассматривается как первый шаг в направлении имитирования биологических систем большего размера, включая, в конечном счете, человеческий мозг.
Проект стартовал в начале 2011 года и в настоящее время работает на основе международного сотрудничества ученых и программистов из США, Европы и России.
Биология организма C. Элеганс / Biology of Caenorhabditis elegans
Организм Caenorhabditis elegans, как правило, обозначаемый сокращенно как C. Элеганс, это свободно живущая, прозрачная нематода (круглый червь) длиной около 1 мм. Он живет в почве в умеренных условиях и питается бактериями, которые развиваются на гниющих веществах растительного происхождения.
Исследования в области молекулярной биологии и развития организма C. Элеганс были начаты в 1974 году и с тех пор он широко используется в качестве модельного организма.
Организм C. Элеганс имеет два пола: гермафродиты и мужской. Отдельные особи почти все гермафродиты, а мужской пол составляет только 0,05% от общей численности популяции. Построены карты эволюционного развития всех соматических клеток (959 у взрослого гермафродита, 1031 у взрослой мужской особи). Эти паттерны клеточной линии в значительной степени инвариантны между особями.
C. Элеганс был первым многоклеточным организмом, геном которого был полностью секвенирован. Все секвенирование было закончено к октябрю 2002 года. Этот геном имеет 97 миллионов пар оснований, что составляет около 3% от размера генома человека, который имеет 3 млрд. пар оснований.
Нервная система / Nervous system
C. Элеганс является одним из простейших организмов с нервной системой. Гермафродит имеет в общей сложности 302 нейрона. Они могут быть разделены на pharyngeal нервную систему, содержащую 20 нейронов и соматическую нервную систему, содержащую 282 нейрона.
Согласно статье, опубликованной в феврале 2011, его соматическая нервная система содержит 6393 химических синапсов, 890 промежуточных соединений и 1410 нервно-мышечных соединений.
Карта коннектома была впервые составлена в 1986 году с помощью электронной микроскопии. Было показано, что она представляет собой малую замкнутую сеть. Проведены исследования по изучению нервных механизмов, ответственных за некоторые наиболее интересные элементы поведения, демонстрируемые организмами C. Элеганс, включая хемотаксис, термотаксис, механотрансдукции и мужское брачное поведение.
Несмотря на то, что этот коннектом известен, поведение нейронов не известно, как и поведение синапсов. Оно является предметом длительного изучения. Следует также отметить, что нейроны в организме C. Элеганс не отображают потенциалов действия. То есть, эти нейроны не являются спайковыми нейронами. Вместо этого они передают информацию путем простого пассивного распространения электротонического потенциала (electrotonic potential).
Хотя карта коннектома этого червя была создана в 1980 годах, имитация этой нейронной сети никогда не была полностью смоделирована биологически реалистичным способом.
Финансирование / Funding
Работа по проекту OpenWorm ведется добровольцами в свободное время.
В настоящее время финансирование со стороны государства или промышленности отсутствует.
Пожертвования принимаются через сайт openworm.org.
Вполне возможно, что в будущем будет осуществляться своего рода народное финансирование, например, типа Kickstarter
Хроника проекта - Project Timeline
▪ Проект стартовал в начале 2011 года и в настоящее время работает на основе международного сотрудничества ученых и программистов из США, Европы и России.
▪ Фаза создания рамочного прототипа имитации (simulation framework prototype phase) была завершена примерно в конце 2011 года.
▪ Основные понятия и стек технологий были подтверждены путем настройки имитации параллельной работы 302 нейронов Ходжкина-Хаксли (Hodgkin-Huxley).
▪ 21 марта 2012 года было объявлено о создании браузера OpenWorm (OpenWorm browser browser.openworm.org).
Он позволяет каждому исследовать клеточную анатомию червя в 3-х мерном пространстве.
(Обратите внимание, что он требует включенного браузера WebGL. В последних версиях Google Chrome, Firefox, и Safari эта функция имеется по умолчанию. Он не будет работать с Internet Explorer).
▪ В настоящее время ведется работа над интеграцией физической имитации с нейронной имитацией с учетом синхронизации многих алгоритмов моделирования.
Структура проекта - Project Research Areas
Мотивацией проекта является идея, что только воссоздавая организм можно по-настоящему его понять. Организм C. Элеганс был выбран потому, что это один из самых маленьких и наиболее изученных животных в биологии. Если проект будет успешным, это установит нижнюю границу того, что можно эмулировать в будущем.
Проект является полностью открытым. Все программное обеспечение, данные и документация находятся в свободном доступе в Интернете.
Смотрите вводный доклад координатора проекта Стивена Ларсона (Stephen Larson):
Evolving AI: Lt. Data Will Be Born From Artificial Worms
Проект имитации / Simulation project
Двигатель имитации (simulation engine) рассчитан на приспособление к разнообразным сложным биологическим системам и их окружению. Имитация червя является лишь первой такой имитацией. Если она будет успешной, то могут последовать и другие.
Первая цель состоит в объединении нейронной модели с физической моделью. Это придаст биофизической реализм тому, что уже было сделано в предыдущих исследованиях. Физическая модель будет служить в качестве "вывода данных", чтобы убедиться, что нейроны делают соответствующие вещи.
Конечная цель исследования заключается в том, чтобы понять, как работает человеческий мозг. Если мы сможем построить настоящую эмуляцию этого червя с его 302 нейронами, это докажет, что эмуляция возможна. Это является необходимым условием перед тем, чтобы можно было предпринимать другие попытки иммитаций более сложных организмов.
Стек программного обеспечения / Software stack
В проекте OpenWorm используется ряд различных языков программирования. Однако ядро двигателя имитации написано на Java. Данные моделирования, которые обрабатываются этим двигателем, написаны на XML.
Первый этап имитации состоит в подготовке файлов данных, которые описывают физическую форму всех нейронов, их положение относительно друг друга, и их соединения. Они написаны на языке NeuroML (Нейро Markup Language). NeuroML - это язык описания модели на основе XML, который призван обеспечить общий формат данных для определения и обмена моделями в вычислительной нейробиологии.
NeuroML используется для определения коннектома этого червя.
Данные NeuroML поступают из базы данных WormBase. Данные WormBase первоначально были созданы с помощью программного обеспечения 3D компьютерной графики под названием Blender (Blender). Поэтому команда проекта OpenWorm написала сценарии в Python для преобразования этих данных из файлов Blender в NeuroML.
Поскольку модель Blender только описывает расположение нейронов, а не способ их поведения и соединения, файлы NeuroML должны быть импортированы в NeuroConstruct.
NeuroConstruct - это программное обеспечение для создания и развития биологически-реалистичных 3-х мерных нейронных сетей. NeuroConstruct используется чтобы определить группировки клеток, добавить синапсы, и установить характеристики клеточных мембран (ионных каналов). Все нейроны описываются как многоотсековые модели (multi-compartmental models). Полученная в результате полная модель экспортируется обратно в формат NeuroML.
После этой подготовки эти данные NeuroML можно затем подавать в двигатель имитации. Он, вместе с физическим имитатором, имитирует всего червя.
Двигатель (движок) имитации / Simulation engine
Двигатель имитации, также иногда называемый шаблоном имитирования, является ядром проекта OpenWorm. Именно здесь происходит реальная имитация червя.
Этот двигатель мульти-алгоритмный (нервные имитации, физические имитации) и мульти-масштабный (секции молекулярные, клеточные, тела). Она написана на Java и использует структуру-шаблон OSGi (Open Services Gateway initiative) (инициатива Шлюза открытых услуг). Эта структура-шаблон позволяет гибкое использовать программные компоненты, которые можно удаленно установливать, запускать, останавливать, обновлять и удалять без прерывания остальной части имитации.
Два основных компонента:
- Имитатор нейропроводимости (решатель Ходжкина-Хаксли) (Hodgkin-Huxley solver) - написан в OpenCL (Open Computing Language) с Java привязками, которые соединяют его с остальной частью структуры-шаблона имитатора. OpenCL является языком и шаблоном для написания программ, которые могут исполняться на базе гетерогенных платформ, состоящих из процессоров (CPU), графических процессоров (GPU) и других процессоров. Таким образом, этот двигатель имитации может использовать преимущества параллелизма и рычаги более мощных графических процессоров.
- Алгоритм PCI-SPH (Predictive-Corrective Incompressible Smoothed-Particle Hydrodynamics) - алгоритм, используемый для физических имитаций мягких тел (Акроним расшифровывается как Предсказуемая-корректируемая гидродинамика несжимаемых сглаженных частиц).
Алгоритм написан в C ++. Он имитирует биомеханику тела червя при его движении по поверхности. Вообще червь удерживается капиллярными силами, созданными мениском поверхностной пленки воды.
Смотри также статью: (the Wikipedia article) smoothed-particle hydrodynamics (SPH).
Компьютерная техника / Computer hardware
Моделирование осуществляется на платформе облачных вычислений Amazon's cloud computing. Механическая модель червя требует вычислительной мощности около 5 терафлопс (teraflops). Модель мышечной / нейронной проводимости требует около 0,24 терафлопс. Один кластер Amazon GPU обеспечивает около 2 терафлопс.
3-х мерная модель / 3D WebGL model
3-х мерная веб модель была выпущена в марте 2012 года.
Смотрите ее через ваш браузер здесь: browser.openworm.org.
(Обратите внимание, что это требует WebGL (Graphics Library Web), API JavaScript для оказания интерактивные 3D-графики. Google Chrome и новейшие версии Firefox и Safari имеют это, Internet Explorer этого не делает).
Данная модель построена на вершине программного обеспечения open-3d-viewer. Оно было ранее известно как Google Body, но затем был заброшено на Google и сделано ПО с открытым кодом в январе 2012 года.
Браузер червя был сделан путем преобразования файлов моделирования для программы Virtual Worm (Виртуальный червь) Кристиана Гроува (Christian Grove) и Пола Стернберга (Paul Sternberg) из формата Blender в формат WebGL. (VirtualWorm home page at http://caltech.wormbase.org/virtualworm/)
Blender является комплектом для создания 3D контента со свободным открытым исходным кодом.
Обратите внимание, что браузер червя – это только 3D модель, а не имитация. Эта модель не делает ничего, кроме обеспечения визуализации анатомии червя. Она не визуализирует нервную деятельность или движение червя.
NeuroML v2.x support
NeuroML v1.x support
NEURON support
GENESIS 2 support
MOOSE support
Участники проекта - Project Participants
Проект OpenWorm разрабатывается под руководством Стивена Ларсона (Stephen Larson) международной исследовательской группой по проекту из США, Европы и России.
Larson, Stephen
Ларсон, Стивен
OpenWorm project Coordinator
La Jolla, California
E-mail:
@slars0n
Project Members
Scientific Coordinator: Stephen Larson
Developers: Andrey Palyanov, Giovanni Idili, Matteo Cantarelli, Mike Vella, Padraig Gleeson, Sergey Khayrulin, Stephen Larson, Timothy Busbice
В проекте участвуют / People involved:
Проект OpenWorm является международным сотрудничеством между учеными и программистами США, Европы и России.
A full list of researchers involved in the project can be found here.
Weblinks
▪ OpenWorm blog
▪ Mailing list (Google groups)
▪ OpenWorm (Homepage)
▪ Documentation (Wiki pages)
▪ Documentation (Google Docs)
▪ Presentation slides (PDF, April 2011)
Взаимосвязанные проекты - Related Projects
OpenWorm C. elegans network model at opensourcebrain.org
▪ Invertebrate/
▪ Nematode/
▪ C. elegans/
▪ Nervous system/
▪ Network model/
Wormatlas - A database of the behavioral and structural anatomy of the C.Elegans.
What is C. elegans?
Throughout WormAtlas tissues are labeled with a Color Code
WormAtlas Mirror Site: Pittsburgh Supercomputing Center
WormAtlas Book - Corrections
Openworm at http://www.genesis-sim.org/
A simulation platform to build digital in-silico living system.
Si Elegans Project Group
OpenWorm Group
- David Dalrymple and others at Harvard/MIT (2011 - ongoing), personally funded by Larry Page, CEO of Google.
David Dalrymple's research home page at syntheticneurobiology.org
A paper at the Samuel Lab (worms) at Harvard
David hopes to succeed where others have failed because:
- he's experimentally studying how the neurons work, rather than just using the connectome
- he says previous attempts used the connectome without understanding the neurons
- this was like trying to reverse engineer a radio when all you have is a schematic
- that shows the wiring diagram without any info on the components that the wires connect
- we also now have the technology for optogentics
- so we can read-write to any point in the nervous system in a living organism
- this can also be done using a high-throughput, automated system
- Mailler at Tulsa, US (2010) - A Biologically Accurate 3D Model of the Locomotion of Caenorhabditis Elegans
- Jordan Boyle at the University of Leeds, UK (2009) - C. elegans locomotion: an integrated approach
- Virtual C. Elegans project at Hiroshima University, Japan (~2004)
The aim was to build a worm emulation, simulate poking it on the head, and have it back away from the poke. This was achieved, but not in a biologically realistic way. They simulated the nematode neurons, but the connection weights were unknown. Instead of getting this information experimentally, a machine learning algorithm was used to generate weights.
Papers:
A Dynamic Body Model of C. elegans with Neural Oscillators
A model of motor control of C. elegans with neuronal circuits
- The Perfect C. ELEGANS Project in Tokyo (~1998)
We have started the Perfect C. elegans Project, which aims to produce ultimately a complete synthetic model of C. elegans' cellular structure and function. - They released an initial report, but no more.
This article describes the goal, the approach, and the initial results of the project.
Hiroaki Kitano,Shugo Hamahashi, Sean Luke
The Perfect C. ELEGANS Project: An Initial Report. Artificial Life, Spring 1998, Vol. 4, No. 2, Pages 141-156
doi:10.1162/106454698568495
NemaSys Project at University of Oregon (~1997)
A full model was planned, including body, every neuron, every synapse, and complete set of sensory modalities.
Ссылки на источники информации - References
- Caenorhabditis elegans (en.wikipedia.org)
- Caenorhabditis elegans (ru.wikipedia.org)
- Whole brain emulation and nematodes (by Jeff Kaufman)
- Whole brain emulation, C. elegans progress (Less Wrong discussion)
- OpenWorm Project at http://www.artificialbrains.com/openworm
