Un cerebro virtual, simulador de enfermedades como el Alzheimer

Aprovechando la potencia de una de las supercomputadoras más rápidas del mundo, investigadores del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro de Seattle, Washington, en colaboración con los de varias instituciones japonesas (la Universidad de Electrocomunicaciones de Japón, la Organización de Investigación en Ciencia y Tecnología de la Información (RIST), la Universidad de Yamaguchi y el Centro RIKEN de Ciencia Computacional (R-CCS), liderados por el Dr. Tadashi Yamazaki) han presentado en la recientemente celebrada SC25, la principal conferencia mundial sobre supercomputación, una de las simulaciones cerebrales biofísicamente realistas más grandes y detalladas jamás realizadas en un animal.

Esta copia virtual de la corteza cerebral completa de un ratón permite a los investigadores estudiar el cerebro de una forma novedosa: simulando enfermedades como el Alzheimer o la epilepsia en el mundo virtual para observar en detalle cómo se propaga el daño a través de las redes neuronales, o para comprender la cognición y la consciencia. La simulación reproduce tanto la forma como la función, con casi diez millones de neuronas, veintiséis mil millones de sinapsis y ochenta y seis regiones cerebrales interconectadas.

Este espectacular logro es producto de Fugaku, la supercomputadora insignia japonesa capaz de procesar datos a una velocidad vertiginosa, realizando cuatrillones de cálculos por segundo.

Los científicos pueden usar este modelo de corteza cerebral de ratón para formular preguntas detalladas sobre lo que ocurre en una enfermedad, cómo las ondas cerebrales influyen en la concentración o cómo se propagan las convulsiones en el cerebro, y luego poner a prueba sus hipótesis. Anteriormente, estas preguntas solo podían abordarse utilizando tejido cerebral real, un experimento a la vez. Ahora, los investigadores pueden probar hipótesis virtualmente.

Estas simulaciones pueden ayudar a encontrar respuestas sobre trastornos cerebrales, revelando cómo se originan los problemas antes de que aparezcan los síntomas, y permiten a los investigadores probar nuevos tratamientos o terapias de forma segura en un entorno digital.

“Esto demuestra que la puerta está abierta. Podemos ejecutar este tipo de simulaciones cerebrales de forma eficaz con la potencia informática suficiente”, afirmó Anton Arkhipov, doctor e investigador del Instituto Allen que participó en el proyecto.

“Es un hito técnico que nos da la seguridad de que los modelos mucho más grandes no solo son posibles, sino que se pueden lograr con precisión y a gran escala.”

Esta colaboración global fusiona la experiencia en neurociencia humana con la extraordinaria capacidad de computación de una máquina. El Instituto Allen proporcionó el diseño y las propiedades biofísicas del cerebro virtual mediante datos reales de la Base de Datos de Tipos Celulares de Allen y el Atlas de Conectividad de Allen, y la supercomputadora japonesa Fugaku dio vida a esos datos.

La supercomputadora Fugaku, desarrollada conjuntamente por RIKEN y Fujitsu , es una de las supercomputadoras más rápidas del mundo, capaz de realizar más de 400 cuatrillones de operaciones por segundo.

Para poner en perspectiva su capacidad de cálculo, si se empezaran a contar ahora mismo, una por una por segundo, se tardarían más de doce mil setecientos millones de años en alcanzar esa cifra (aproximadamente la edad del universo: trece mil ochocientos millones de años). El nombre Fugaku homenajea al monte Fuji, simbolizando su poderío. 

“Fugaku se utiliza en la investigación en una amplia gama de campos de la ciencia computacional, como la astronomía, la meteorología y el descubrimiento de fármacos, contribuyendo a la resolución de muchos problemas sociales”, dijo Yamazaki. “En esta ocasión, utilizamos Fugaku para una simulación de circuitos neuronales.”

La supercomputadora está compuesta por miles de pequeñas partes llamadas nodos, agrupadas en capas como placas, estantes y bastidores. En conjunto, estos componentes suman un total de 158.976 nodos, lo que permite a Fugaku gestionar un volumen masivo de datos y cálculos. 

Utilizando el kit de herramientas de modelado cerebral del Instituto Allen, el equipo tradujo los datos en una simulación digital funcional de la corteza cerebral. Un simulador neuronal, Neulite, transformó las ecuaciones en neuronas que generan potenciales de acción, señales y comunicación, al igual que sus contrapartes vivas.

Observar la corteza cerebral de un ratón simulado es como presenciar un proceso biológico en tiempo real. Captura la estructura y el comportamiento reales de las células cerebrales, desde las ramificaciones de las neuronas y la activación de las sinapsis —los diminutos contactos que transmiten mensajes desde las neuronas ascendentes a las descendentes— hasta el flujo y reflujo de las señales eléctricas a través de las membranas. “Es una proeza técnica, pero solo es el primer paso”, afirmó Yamazaki. “La clave está en los detalles, y creo que también en los modelos biofísicos detallados.” 

“Nuestro objetivo a largo plazo es construir modelos de cerebro completo, e incluso, con el tiempo, modelos humanos, utilizando todos los detalles biológicos que nuestro Instituto está descubriendo”, afirmó Arkhipov. “Ahora estamos pasando de modelar áreas cerebrales individuales a simular el cerebro completo del ratón.”

Con este tipo de capacidad computacional, el objetivo de un modelo cerebral completo y biofísicamente preciso ya no es solo ciencia ficción. Los científicos se encuentran en una nueva frontera donde comprender el cerebro significa, literalmente, poder construir uno.

Puedes solicitar el texto completo presentado en la SC25 aquí.

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