OpenWorm

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

OpenWorm — международный проект по созданию компьютерной модели (in silico) на клеточном уровне одного из наиболее полно изученных[1] современной биологией микроорганизмов — червя Caenorhabditis elegans[2][3][4].

Конечной целью проекта является полная модель, которая включает все клетки C. elegans (чуть менее тысячи). На первой стадии будет моделироваться передвижение червя, для чего симулируется работа 302 нервных клеток и 95 мышечных. На 2014 год были созданы модели нейронного коннектома и мышечных клеток. На сайте проекта доступен трехмерный интерактивный анатомический атлас червя. Участники проекта OpenWorm также развивают платформу geppetto, предназначенную для моделирования целых организмов[5].

В 2015 году координатор проекта С. Ларсон заявил, что поставленные цели выполнены на 20—30 %[1].

Червь C. elegans[править | править код]

Круглый червь C. elegans для современной генетики является аналогом мухи дрозофилы для классических естественнонаучных дисциплин; он имеет одну из наиболее простых нервных систем, состоящую всего из 302 нейронов[1]. Более того, изучена структура соединений между ними (коннектом). Всего в организме червя чуть менее тысячи клеток, все они идентифицированы и описаны в научной литературе, поскольку C. elegans является популярным модельным организмом. Также полностью прочитан геном червя, описано множество мутаций, поведение червей и т. п. При столь низком числе нейронов использование двухфотонной микроскопии может позволить описать полную нейронную активность живого организма. С помощью оптогенетических технологий возможно будет полностью описать нейродинамику организма.

В процессе создания полной модели живого существа «in silico» будут созданы новые средства и методы, которые упростят моделирование более сложных организмов.

Проект NemaLoad[править | править код]

Проект Nemaload[6] — исследовательская программа по эмпирическому поиску биологических фактов, которые потребуются для полноценной симуляции «снизу вверх». Основатель Nemaload, David Dalrymple, сотрудничает с проектом OpenWorm.

Проект OpenWorm[править | править код]

Несмотря на заявленную конечную цель проекта по симуляции всего организма C. elegans и особенностей его поведения, проект Open Worm сначала планирует достичь лишь симуляции простейших моторных реакций. Для этого виртуальный червь должен быть помещен в виртуальную окружающую среду. Требуется достичь полноценной обратной связи по цепочке: Стимул среды — сенсорная трансдукция — срабатывание промежуточных нейронов — срабатывание моторных нейронов — сокращение мышечных клеток — изменение среды — сенсорная трансдукция и так далее…

Две основные технические проблемы: моделирование нейронных и электрических свойств нервной системы в процессе обработки информации и, затем, моделирование механических свойств тела червя в процессе движения. Свойства нейронов моделируются уравнениями Hodgkin Huxley, а механические свойства — алгоритмом Smoothed Particle Hydrodynamic.

Команда OpenWorm создала программу Geppetto, которая интегрирует в себе эти алгоритмы и, благодаря своей модульности, сможет моделировать другие биологические системы (например, пищеварение).

Команда также создала окружение NeuroConstruct, которая описывает структуры нейронов в формате NeuroML. С помощью NeuroConstruct был реконструирован полный коннектом C. elegans.

В формате NeuroML также была создана модель мышечной клетки. Однако на текущий момент модели включают в себя лишь простейшие реакции, но не электрические или механические свойства.

На следующей стадии проекта участники соединят мышечную клетку с шестью нейронами и изучат их взаимодействие.

В дальнейшем процесс будет повторяться для остальных мышечных клеток.

Родственные проекты[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 3 Николенко С., Кадурин А., Архангельская Е. 1.5 Пределы нейробиологии: что мы на самом деле знаем? // Глубокое обучение. Погружение в мир нейронных сетей. — СПб.: Питер, 2018. — С. 28. — 480 с. — (Библиотека программиста). — ISBN 978-5-496-02536-2.
  2. nematode fanciers open their worm to a kickstarter
  3. Towards a virtual C. elegans: A framework for simulation and visualization of the neuromuscular system in a 3D physical environment. Palyanov A., Khayrulin S., Larson S.D. and Dibert A. (2012) In Silico Biology 11(3): 137—147 Архивировано 22 апреля 2014 года.
  4. Current practice in software development for computational neuroscience and how to improve it. Gewaltig, M.-O., & Cannon, R. (2014). PLoS Computational Biology, 10(1), e1003376. doi:10.1371/journal.pcbi.1003376
  5. Openworm is going to be a digital organism in your browser // Venturebeat, 2014-04-30
  6. NemaLoad Архивировано 7 октября 2012 года.

Ссылки[править | править код]