オープンワーム

OpenWormは、線虫Caenorhabditis elegansを細胞レベルでシミュレートすることを目的とした国際的なオープンサイエンスプロジェクトです。^{[1] [2] [3]}長期的な目標はC. elegansの959個の細胞すべてをモデル化することですが、最初の段階は302個のニューロンと95個の筋肉細胞をシミュレートして線虫の移動をモデル化することです。このボトムアップシミュレーションはOpenWormコミュニティによって進められています。

2014年現在、このプロジェクトのためにSiberneticと呼ばれる物理エンジンが構築されており、神経コネクトームと筋細胞のモデルがNeuroML形式で作成されています。線虫の解剖学的構造の3Dモデルは、OpenWormブラウザを介してWeb経由でアクセスできます。OpenWormプロジェクトは、生物全体のシミュレーションをサポートするように設計されたWebベースのマルチアルゴリズム、マルチスケールシミュレーションプラットフォームであるGeppetto ^[4]の開発にも貢献しています。^[5]

回虫Caenorhabditis elegansは、体長約1mmの自由生活性の透明な線虫で、 ^[6]温帯の土壌環境に生息し、その属の基準種である。 ^[7]

C. elegans はあらゆる生物の中で最も単純な神経系の一つで、その両性具有型でもニューロンは 302 個しかありません。さらに、これらのニューロンの構造コネクトームは完全にマッピングされています。C . elegansの全身の細胞は 1,000 個未満で、C. elegansはモデル生物であるため、各細胞には固有の識別子と包括的な裏付け文献があります。モデル生物であるため、ゲノムは完全にわかっており、多くの特性が明らかになった突然変異体が容易に入手でき、行動研究の包括的な文献もあります。ニューロンの数が非常に少なく、新しい2 光子カルシウム顕微鏡技術により、生体の完全な神経活動を記録できるようになるのは間もなくのはずです。光遺伝学的方法によるニューロンの操作は、前述の技術的能力と相まって、プロジェクトに前例のない立場をもたらし、今では生物全体の神経動態を完全に特徴付けることができます。

比較的単純な生物であるC. elegansのコンピューターモデルを構築する取り組みにより、次第に複雑化する生物のモデル化を容易にする技術の開発が促進されました。

最終的な目標はC. elegans の行動のすべての特徴をシミュレートすることですが、OpenWorm コミュニティは当初、単純な運動反応、つまり線虫に這うことを教えることをシミュレートすることを目指していました。そのために、仮想線虫を仮想環境に配置します。その後、環境刺激 > 感覚変換 > 介在ニューロン発火 > 運動ニューロン発火 > 運動出力 > 環境変化 > 感覚変換という完全なフィードバック ループが確立されます。

ここでの主な技術的課題は 2 つあります。脳が情報を処理する際の神経的/電気的特性をモデル化することと、身体が動く際の機械的特性をモデル化することです。神経的特性はホジキン・ハクスリー モデルによってモデル化され、機械的特性は平滑化粒子流体力学アルゴリズムによってモデル化されています。

OpenWorm チームは、これらのアルゴリズムを統合できる Geppetto というエンジンを構築しました。このエンジンはモジュール性を備えているため、チームが後日取り組む 他の生物学的システム (消化など) をモデル化できます。

研究チームはまた、 NeuroMLで神経構造を出力できるNeuroConstructと呼ばれる環境を構築しました。NeuroConstructを使用して、研究チームはC. elegansの完全なコネクトームを再構築しました。

チームは NeuroML を使用して、筋細胞のモデルも構築しました。これらのモデルは現在、単純な運動反応に関連する特性、つまり前述の神経/電気特性と機械特性のみをモデル化していることに注意してください。

次のステップは、この筋肉細胞を、シナプスを形成してその効果を近似する 6 つのニューロンに接続することです。

大まかな計画は次のようになります。

• これらのニューロンに結合するシナプスを近似する
• 他の筋肉細胞についてもこのプロセスを繰り返す

2015年1月現在^{[アップデート]}、このプロジェクトはまだ査読待ちであり、プロジェクトに携わる研究者たちは、現時点での生物学的行動との類似性について大胆な主張をすることに消極的である。プロジェクトコーディネーターのスティーブン・ラーソンは、彼らは「必要なところまで20～30%しか進んでいない」と見積もっている。^[8]

2021年現在^{[アップデート]}、全脳エミュレーションはまだ達成されていない。^[9]

1998年に日本の研究者らはパーフェクトC.エレガンスプロジェクトを発表しました。提案書は提出されましたが、プロジェクトは中止されたようです。^{[10] [11]}

2004年に広島のグループがバーチャルC.エレガンスプロジェクトを開始しました。彼らは、シミュレーションがバーチャルな刺激からどのように後退するかを示した2つの論文を発表しました。^{[12] [13]}

2005年、テキサスの研究者が、デジタルパララックスベーシックスタンププロセッサ、感覚入力、およびモーター出力を組み込んだ1線式ネットワークに基づく簡略化されたC.エレガンスシミュレータについて説明しました。入力には、オペアンプでシミュレートされたニューロンと1線式温度センサーに接続された16ビットA/Dコンバータが使用されました。モーター出力は、256ポジションのデジタルポテンショメータと8ビットデジタルポートによって制御されました。人工筋肉の動作はニチノールアクチュエータに基づいていました。これは、いくつかの本能的な行動を再現する「感知-処理-反応」動作ループを使用しました。^[14]

こうした初期のシミュレーションの試みは、生物学的に現実的ではないと批判されてきた。完全な構造コネクトームはあるものの、既知のシナプスのそれぞれのシナプス重みはわからない。シナプスが抑制性か興奮性かさえわからない。これを補うために、広島グループは機械学習を使用して、望ましい動作を生み出すシナプスの重みをいくつか見つけた。したがって、モデルが動作を示したのは驚くことではなく、システムの真の理解を表していない可能性がある。^[要出典]

OpenWormコミュニティはオープンサイエンスの理想に取り組んでいます。^[15]一般的にこれは、チームがオープンアクセスジャーナルに論文を発表し、収集したすべてのデータを含める（ファイルドロワー問題を回避するため）ことを意味します。実際、チームが収集したすべての生物学的データは公開されています。

2024年半ばまでに、同グループが作成した20の出版物がウェブサイトで無料で公開される予定です。^[16] OpenWormが作成したソフトウェアはすべて完全に無料でオープンソースです。^{[17] [18]}

OpenWorm は、科学的コラボレーションの根本的にオープンなモデルも試みています。チームは、参加を希望する人なら誰でも参加できます。大量の技術メーリング リストに登録されている「メンバー」は 100 人以上います。出版物に名前が挙がっている最もアクティブなメンバーには、ロシア、ブラジル、イギリス、スコットランド、アイルランド、米国の協力者がいます。

この国際的な取り組みを調整するために、チームは「バーチャルラボミーティング」やリソースセクションで詳しく説明されているその他のオンラインツールを使用しています。^[19]

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