脳シミュレーション

計算神経科学 の分野において、脳シミュレーションとは、脳または脳の一部の機能的なコンピュータモデルを作成するという概念である。 ^[1]脳シミュレーションプロジェクトは、脳の完全な理解に貢献し、最終的には脳疾患の治療と診断のプロセスを支援することを目指している。^{[2] [3]}シミュレーションでは、ホジキン・ハクスリーモデルなどの生物学的ニューロンの数学的モデルを利用して、ニューロンまたは脳内の他の細胞 の挙動をシミュレートする。

世界中の様々なシミュレーションが、C.エレガンス[4]やブルー・ブレイン・プロジェクト・ショーケース[5]など、オープンソースソフトウェアとして完全にまたは部分的に公開されています。2013^年に^は、ブルー・ブレイン・プロジェクトで使用された技術を活用し、それを基に構築されたヒューマン・ブレイン・プロジェクト^{[6]が、脳モデルのシミュレーション用に設計されたインターネットアクセス可能な}共同プラットフォームであるブレイン・シミュレーション・プラットフォーム（BSP）を作成しました。

脳のシミュレーションは様々な詳細レベルで実行できますが、詳細度を上げると大幅に高い計算能力が必要になります。シミュレーションによっては、個々のニューロンをモデル化せずに領域の挙動のみを考慮する場合があります。他のシミュレーションでは、個々のニューロンの挙動、ニューロン間の接続の強さ、およびこれらの接続がどのように変化するかをモデル化します。 ^{[7]これには、}コネクトームと呼ばれる対象生物のニューロンとその接続のマップが必要です。^[8]非常に詳細なシミュレーションでは、個々のニューロンの電気生理学、場合によってはメタボロームやプロテオーム、タンパク質複合体の状態まで正確にモデル化できます。^[9]

時間の経過とともに、脳シミュレーションの研究は、線虫C. elegans のような原始的な生物から始まり、人間の脳のシミュレーションへと進み、ますます複雑な生物に焦点を当てるようになりました。

単純な線虫C. elegansの触覚神経回路の接続性は1985年にマッピングされ^[10]、1993年に部分的にシミュレートされました。 ^[11] 2004年以降、線虫の物理的環境のシミュレーションを含む、完全な神経系と筋肉系のソフトウェアシミュレーションが多数開発されました。ソースコードを含むこれらのモデルの一部は、ダウンロードできます。^{[12] [4]}しかし、ニューロンとニューロン間の接続が、比較的単純な生物で観察される驚くほど複雑な動作を生成する仕組みについては、まだ理解が不足しています。^{[13] [14]}マップされたニューロンが隣接するニューロンと相互作用する方法の見かけ上の単純さと、全体的な脳機能の非常に複雑なこととの間のこの対比は、創発的特性の一例です。^{[15]この種の創発的特性は、}人工ニューラルネットワーク内で類似しており、そのニューロンは、多くの場合複雑で抽象的な出力と比較すると極めて単純です。よく言われることわざを引用すると、集団（この場合は脳）は個々の部分の総和よりも強力です。

ショウジョウバエの脳も徹底的に研究されている。ショウジョウバエの脳のシミュレーションモデルは、兄弟ニューロンのユニークなモデルを提供している。^{[16]回虫と同様に、これは}オープンソースソフトウェアとして公開されている。^[17]

2006年、ヘンリー・マークラム率いるブルー・ブレイン・プロジェクトは、単純化されたニューロンを持つ新皮質柱の最初のモデルを作成しました。そして2007年11月には、ラットの新皮質柱の初期モデルを完成させました。これで第一段階が終了し、新皮質柱の作成、検証、研究のためのデータ駆動型のプロセスが実現しました。^{[18] [19]}新皮質柱は、新皮質の最小の機能単位であると考えられています。新皮質は、意識的な思考などの高次機能を担っていると考えられている脳の部分で、ラットの脳には10,000個のニューロン（および10 ^{8 個の}シナプス）が含まれています。

2007年、ネバダ大学の研究チームとIBMアルマデンは、800万のニューロンとニューロンあたり6300のシナプスを持つ「マウスの脳の半分と同じくらい大きくて複雑」な人工ニューラルネットワーク^[20]をIBM Blue Geneスーパーコンピュータで実行した。^[21]シミュレーション時間1秒あたりコンピュータ時間10秒かかった。研究者らは、仮想皮質を流れる「生物学的に一貫した」神経インパルスを観察できたと主張した。しかし、シミュレーションには実際のマウスの脳に見られる構造が欠けており、研究者らはニューロンとシナプスのモデルの精度を向上させる予定である。^[22] IBMは同年後半にニューロンの数を1600万に増やし、ニューロンあたりのシナプスを8000に増やし、そのうち5秒間を265秒の実時間でモデル化した。^[23] 2009年までに研究者たちはその数を16億個のニューロンと9兆個のシナプスにまで増やし、144テラバイトのスーパーコンピュータのRAM全体を飽和させることができました。^[24]

2019年、ブルー・ブレイン・プロジェクトに取り組んでいる計算神経科学者の一人であるイダン・セゲフは、「コンピューターの中の脳：脳のシミュレーションから何を学んだか」と題した講演を行った。講演の中で、彼はマウスの脳の皮質全体が完成しており、仮想EEG実験が間もなく開始されると述べた。また、当時使用していたスーパーコンピューターではモデルが重すぎるため、すべてのニューロンをニューラルネットワークとして表現できる方法を模索していると述べた（詳細は引用を参照）。^[25]

2023年、デューク大学の研究者らはマウスの脳の非常に高解像度のスキャンを行った。^[26]

ブルー・ブレインは、2005年5月にIBMとスイス連邦工科大学ローザンヌ校によって開始されたプロジェクトである。このプロジェクトの目的は、哺乳類の皮質柱を分子レベルまでコンピューターシミュレーションすることであった。 ^{[27]このプロジェクトでは、IBMの}Blue Gene設計に基づくスーパーコンピューターを使用して、シナプス接続とイオン透過性に基づいてニューロンの電気的動作をシミュレートする。このプロジェクトは、最終的には人間の認知や、自閉症などの機能不全ニューロンによって引き起こされるさまざまな精神疾患に関する洞察を明らかにし、薬理学的因子がネットワーク動作にどのように影響するかを理解することを目指している。

人間の脳には860億個のニューロン^[28]があり、それぞれのニューロンは平均約10,000の接続を持っています。ある推定によると、人間のコネクトームを非常に詳細に完全に再構築するには、ゼタバイト（10の²¹乗バイト）のデータストレージが必要になります。 ^[29]

人間の脳と同等の計算能力を持つスーパーコンピュータが2024年4月に稼働する予定である。^[30] 「DeepSouth」と呼ばれるこのコンピュータは、 1秒間に228兆回のシナプス演算を実行できる。 ^[31]

2013年後半、日本とドイツの研究者は、当時4番目に高速なスーパーコンピュータであった京コンピュータとシミュレーションソフトウェアNESTを使用して、人間の脳の1％をシミュレートしました。シミュレーションでは、10兆4000億のシナプスで接続された17億3000万の神経細胞からなるネットワークをモデル化しました。この偉業を実現するために、プログラムは京コンピュータの82,944個のプロセッサを採用しました。このプロセスは、実際の生物学的時間で1秒間の神経ネットワーク活動をシミュレーションするのに40分かかりました。^{[32] [33]}

ヒューマン・ブレイン・プロジェクト（HBP）は、欧州連合が資金提供した10年間の研究プログラムである。2013年に始まり、ヨーロッパ全土で約500人の科学者が参加した。^[34] 6つのプラットフォームから構成される。

• ニューロインフォマティクス（共有データベース）
• 脳シミュレーション
• 高性能分析とコンピューティング
• 医療情報学（患者データベース）
• ニューロモルフィックコンピューティング（脳にヒントを得たコンピューティング）
• ニューロロボティクス（ロボットシミュレーション）。

脳シミュレーションプラットフォーム（BSP）は、インターネットでアクセスできるツールを備えたデバイスであり、実験室では不可能な調査を可能にします。彼らはブルーブレイン技術を小脳、海馬、基底核などの他の脳領域に適用しています。^[35]

脳の様々なモデルがオープンソースソフトウェアとしてリリースされており、 GitHubなどのサイトで入手できます。その中には、線虫C.エレガンス[4]、ショウジョウバエ[ ¹⁷ ] 、^人間の脳モデルElysia ^[36]とSpaun ^[37]などがあり、これらはNENGOソフトウェアアーキテクチャに基づいています。^[38] Blue Brain Project Showcaseでは、Blue Brain ProjectのモデルとデータをNeuroMLとPyNN（Pythonニューロンネットワークモデル）に変換する方法も示されています。^[5]

脳シミュレーションプラットフォーム（BSP）は、ヒューマンブレインプロジェクトによって作成された、インターネットでアクセス可能な脳シミュレーションのためのオープンコラボレーションプラットフォームです。^[35]

• マインドアップロード
• 汎用人工知能
• トリオン（ニューラルネットワーク）