오픈 웜

OpenWorm

오픈웜(Open Worm)은 회충새선충(Caenorhabditis) 선충을 세포 수준에서 시뮬레이션하는 국제 열린 과학 프로젝트다.[1][2][3]장기 목표는 씨엘레건의 959개 세포를 모두 모형화하는 것이지만, 첫 단계는 302개의 뉴런과 95개의 근육 세포를 시뮬레이션해 웜의 움직임을 모형화하는 것이다.이 상향식 시뮬레이션은 OpenWorm 커뮤니티에 의해 추진되고 있다.null

2014년을 기점으로 프로젝트를 위해 시베레네틱이라는 물리학 엔진이 제작되었으며 신경 코넥텀의 모델과 근육 세포가 NeuroML 형식으로 생성되었다.웜 해부학의 3D 모델은 OpenWorm 브라우저를 통해 웹을 통해 접근할 수 있다.OpenWorm 프로젝트는 또한 전체 유기체의 시뮬레이션을 지원하도록 설계된 웹 기반의 다중 알고리즘, 다단계 시뮬레이션 플랫폼인 [4]Geppetto를 개발하는 데 기여하고 있다.[5]null

배경: C. 엘레건

회충새꼬마선충은 길이 약 1mm로 [6]온대 토양환경에 서식하는 자유생존의 투명한 네마모드다.그것은 속종의 일종이다.[7]null

성인 선충이 기생충

엘레건은 모든 유기체의 가장 단순한 신경계 중 하나를 가지고 있는데, 헤르마프로다이트 타입은 302개의 뉴런만 가지고 있다.게다가, 이러한 뉴런들의 구조적 코넥텀은 완전히 해결된다.C.선충벌레의 몸 전체에는 천 개도 안 되는 세포가 있는데, 그 이유는 C 때문이다. 엘레건스(Elegans)는 모델 유기체로서 각각 고유한 식별자와 포괄적인 지원 문헌을 가지고 있다.모델 유기체로서, 게놈은 쉽게 구할 수 있는 많은 특징적인 돌연변이들과 함께 완전히 알려져 있다. 행동 연구의 포괄적인 문헌 등.뉴런이 거의 없고 새로운 칼슘 2 광자 현미경 기법이 있으면 곧 살아있는 유기체의 완전한 신경 활동을 기록할 수 있을 것이다.광유전자적 기법을 통해 뉴런을 조작함으로써 위의 기록 용량과 결합함으로써 프로젝트는 전체 유기체의 신경 역학을 완전히 특성화할 수 있는 전례 없는 위치에 놓이게 된다.null

씨엘레건과 같이 비교적 단순한 유기체의 "인실리코" 모델을 구축하려는 과정에서, 보다 복잡한 유기체를 점진적으로 모델링하기 쉽게 하는 새로운 도구들이 개발되고 있다.null

오픈 웜 프로젝트

비록 궁극적인 목표는 선충들의 행동의 모든 특징들을 시뮬레이션하는 것이지만, 이 프로젝트는 새로운 것이고 OpenWorm 공동체가 시뮬레이션하기로 결정한 첫 번째 행동은 단순한 운동 반응이다: 벌레가 기어 다니도록 가르치는 것이다.그러기 위해서는 가상 웜을 가상 환경에 배치해야 한다.완전한 피드백 루프는 반드시 확립되어야 한다: 환경 자극 > 감각 전달 > 국제 발화 > 운동 뉴런 발화 > 운동 출력 > 환경 변화 > 감각 전달.null

여기에는 두 가지 주요한 기술적 과제가 있다: 정보를 처리하는 뇌의 신경/전기적 특성을 모델링하는 것과 움직이는 신체의 기계적 특성을 모델링하는 것이다.신경 성질은 Hodgkin-Huxley 모델에 의해 모델링되고 있으며, 기계적 성질은 Smoothed Particle Hydrodynamic 알고리즘에 의해 모델링되고 있다.null

OpenWorm 팀은 이러한 알고리즘을 통합할 수 있는 Geppetto라는 엔진을 만들었고 그것의 모듈성 때문에 나중에 그 팀이 다루게 될 다른 생물학적 시스템(소화와 같은)을 모델링할 수 있을 것이다.null

이 팀은 또한 NeuroML에서 신경 구조를 출력할 수 있는 NeuroConstruct라는 환경을 구축했다. NeuroConstructure를 이용하여 선충류의 전체 코넥텀을 재구성했다.null

NeuroML을 사용하여 그 팀은 또한 근육 세포의 모델을 만들었다.이러한 모델은 현재 단순 모터 반응에 대한 관련 특성, 즉 신경/전기 및 위에서 설명한 기계적 특성만 모델링한다는 점에 유의하십시오.null

다음 단계는 이 근육세포를 6개의 뉴런에 연결하고, 그 뉴런에 시냅스하여 그 효과에 근사치를 하는 것이다.null

대략적인 계획은 다음과 같다.

  • 뉴런에 시냅스 근사치
  • 다른 근육 세포에 대해 이 과정을 반복한다.

진행

2015년 1월 현재, 이 프로젝트는 여전히 동료들의 검토를 기다리고 있으며, 이 프로젝트에 관련된 연구자들은 이 프로젝트가 생물학적 행동과 유사하다는 대담한 주장을 하는 것을 꺼리고 있다; 프로젝트 코디네이터인 Stephen Larson은 이 프로젝트가 "우리가 필요한 곳으로 가는 방법의 20~30% 밖에 되지 않는다"[8]고 추정한다.null

2021년 현재, 전체 뇌 에뮬레이션은 아직 달성되지 않았다.[9]null

관련 프로젝트

1998년 일본 연구진은 퍼펙트 C. 에글레건 프로젝트를 발표했다.제안서가 제출되었지만, 프로젝트는 포기한 것으로 보인다.[10][11]null

2004년에 히로시마에서 온 한 단체가 가상의 엘레건 프로젝트를 시작했다.그들은 가상의 프러딩에서 그들의 시뮬레이션이 어떻게 후퇴하는지를 보여주는 두 개의 논문을 발표했다.[12][13]null

2005년에 한 텍사스 연구원이 디지털 Parallax Basic Stamp 프로세서, 감각 입력 및 모터 출력을 포함하는 1-와이어 네트워크에 기반한 단순화된 엘레건 시뮬레이터를 설명했다.입력은 운용 증폭기 시뮬레이션 뉴런과 1-와이어 온도 센서에 부착된 16비트 A/D 변환기를 사용했다.모터 출력은 256위치 디지털 전위차계와 8비트 디지털 포트로 제어되었다.인공 근육 작용은 니티놀 액츄에이터를 기반으로 했다.그것은 여러 본능적인 행동을 재현하는 "센스-프로세스-반응" 조작 루프를 사용했다.[14]null

이러한 초기 시뮬레이션 시도는 생물학적으로 현실성이 떨어진다는 비판을 받아왔다.우리가 완전한 구조 코넥텀을 가지고 있지만, 우리는 알려진 각각의 시냅스의 시냅스 무게를 알지 못한다.우리는 심지어 시냅스가 억제인지 흥분인지조차 모른다.이를 보완하기 위해 히로시마 그룹은 기계 학습을 사용하여 원하는 행동을 발생시키는 시냅스의 일부 가중치를 찾았다.따라서 모델이 행동을 보인 것은 놀랄 일이 아니며, 시스템에 대한 진정한 이해를 나타내지 않을 수도 있다.null

오픈 사이언스

OpenWorm 공동체는 열린 과학의 이상을 위해 헌신한다.일반적으로 이는 팀이 열린 액세스 저널에 게재하고 수집된 모든 데이터를 포함시키려 한다는 것을 의미한다(파일 드로어 문제를 피하기 위해).실제로 연구팀이 수집한 생물학적 자료는 모두 공개가 가능하며, 이 단체가 지금까지 만든 5편의 출판물은 홈페이지를 통해 무료로 열람할 수 있다.OpenWorm이 생산한 모든 소프트웨어는 완전히 자유롭고 오픈 소스다.null

OpenWorm 또한 급진적으로 열린 과학적 협력 모델을 시도하고 있다.그 팀은 그 팀의 일원이 되고 싶은 모든 사람들로 구성되어 있다.100명이 넘는 회원들이 대량으로 기술 메일링 리스트에 등록되어 있다.출판물에 이름을 올린 가장 활동적인 회원들 중에는 러시아, 브라질, 영국, 스코틀랜드, 아일랜드, 미국의 협력자들이 있다.이러한 국제적 노력을 조정하기 위해 팀은 "가상 실험실 회의"와 리소스 섹션에 자세히 나와 있는 기타 온라인 도구를 사용한다.null

참조

  1. ^ Chirgwin, Richard (5 May 2014). "What's that PARASITE wriggling inside my browser? Nematode fanciers open their worm to a Kickstarter". The Register.
  2. ^ Palyanov, Andrey; Khayrulin, Sergey; Larson, Stephen D.; Dibert, Alexander (2012-01-01). "Towards a virtual C. elegans: A framework for simulation and visualization of the neuromuscular system in a 3D physical environment". In Silico Biology. 11 (3): 137–147. doi:10.3233/isb-2012-0445. ISSN 1386-6338. PMID 22935967.
  3. ^ Gewaltig, Marc-Oliver; Cannon, Robert (2014-01-23). "Current Practice in Software Development for Computational Neuroscience and How to Improve It". PLOS Computational Biology. 10 (1): e1003376. Bibcode:2014PLSCB..10E3376G. doi:10.1371/journal.pcbi.1003376. ISSN 1553-7358. PMC 3900372. PMID 24465191.
  4. ^ 제페토
  5. ^ Takahashi, Dean (30 April 2014). "Openworm is going to be a digital organism in your browser". VentureBeat.
  6. ^ Wood, WB (1988). The Nematode Caenorhabditis elegans. Cold Spring Harbor Laboratory Press. p. 1. ISBN 978-0-87969-433-3.
  7. ^ Sudhaus W, Kiontke K (2009). "Phylogeny of Rhabditis subgenus Caenorhabditis (Rhabditidae, Nematoda)". Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Research. 34 (4): 217–233. doi:10.1111/j.1439-0469.1996.tb00827.x.
  8. ^ Shadbolt, Peter (21 January 2015). "Scientists upload a worm's mind into a Lego robot". CNN.
  9. ^ "Whole Brain Emulation: No Progress on C. elgans After 10 Years". LessWrong. 1 October 2021.
  10. ^ Kitano, Hiroaki; Hamahashi, Shugo; Luke, Sean (April 1998). "The Perfect C. ELEGANS Project: An Initial Report". Artificial Life. 4 (2): 141–156. CiteSeerX 10.1.1.25.8565. doi:10.1162/106454698568495. ISSN 1064-5462. PMID 9847421. S2CID 12383326.
  11. ^ Kaufman, Jeff (2 November 2011). "Whole brain emulation and nematodes".
  12. ^ Suzuki, Michiyo; Goto, Takeshi; Tsuji, Toshio; Ohtake, Hisao (2005). "A dynamic body model of the Nematode C. elegans with neural oscillators" (PDF). Journal of Robotics and Mechatronics. 17 (3): 318–326. doi:10.20965/jrm.2005.p0318.
  13. ^ Suzuki, Michiyo; Tsuji, Toshio; Ohtake, Hisao (September 2005). "A model of motor control of the nematode C. elegans with neuronal circuits" (PDF). Artificial Intelligence in Medicine. 35 (1–2): 75–86. doi:10.1016/j.artmed.2005.01.008. ISSN 0933-3657. PMID 16084704.
  14. ^ Frenger, Paul (2005). Simple C. elegans Nervous System Emulator. Houston Conference for Biomedical Engineering Research. p. 192.

외부 링크