Superpočítač IBM Blue Gene řeší velkou vědeckou výzvu – pomáhá vědcům vytvořit trojrozměrný digitální model mozku
IBM a Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) dnes oznamují společnou výzkumnou iniciativu pod názvem Blue Brain Project, která má posunout výzkum mozku na vyšší úroveň.
V příštích dvou letech budou vědci obou organizací společně využívat obrovskou výpočetní kapacitu superpočítače IBM eServer Blue Gene při práci na vytvoření podrobného modelu nervových okruhů v neokortexu, což je největší a nejkomplexnější část lidského mozku. Do budoucna vědci plánují rozšířit projekt na modelování dalších oblastí mozku, takže by nakonec měli vytvořit jeho přesný počítačový model.
O tom, jak mozek funguje, se toho ve skutečnosti ví jen poměrně málo. Pomocí digitálního modelu budou vědci provádět počítačové simulace mozku na molekulární úrovni, což by mělo osvětlit vnitřní procesy jako myšlení, vnímání a paměť. Vědci také doufají, že se jim podaří lépe pochopit, jak a proč dochází k dysfunkcím některý mikrookruhů v mozku, jež jsou pokládány za příčinu psychiatrických poruch jako jsou autismus, schizofrenie a deprese.
„Modelování mozku na buněčné úrovni je náročný úkol, protože je třeba brát v úvahu stovky tisíc parametrů,“ řekl Henry Markram, profesor EPFL, který projekt řídí. „IBM má bezkonkurenční zkušenosti s biologickými simulacemi a nejvyspělejší superpočítačovou technologii na světě. Společnými prostředky a odborností se pouštíme do jednoho z nejambicióznějších výzkumných projektů, které kdy byly v oblasti neurologie uskutečněny.“
Markram je zakladatel Institutu mozku a mysli EPFL, kde byly za deset let výzkumu a praktických laboratorních experimentů znalosti soustředěny do nesmírně komplexního souboru empirických dat o mikroarchitektuře neokortexu.
Výzkumníci IBM se svými zkušenostmi v oblasti simulace komplexních biologických systémů pomohou vytvořit z těchto dat funkční trojrozměrný model, který napodobí nesmírně rychlé elektrochemické interakce probíhající v mozku. Model, který bude zpracováván čtyřmi racky počítače Blue Gene, bude schopen trojrozměrně simulovat procesy v mozku s přesností, jaké ještě nikdy nebylo dosaženo.
„Blue Gene je zdaleka nejrychlejší superpočítačový systém na světě, takže poskytuje vědcům neskutečný výpočetní výkon," řekl Tilak Agerwala, viceprezident systémů, IBM Research. „Ovšem to, na čem skutečně záleží, není samotný výkon, ale jeho uplatnění pro rychlejší inovace a výzkum v oblasti vědy, techniky a podnikání.“
Markram si od použití superpočítače Blue Gene pro experimenty v reálném čase slibuje podstatné zrychlení výzkumu mozku. „Většinu předběžných testů a plánování, které je vyžadováno pro stěžejní experimenty, budeme s přesným počítačovým modelem moci provádět ‚in silico‘ a ne v laboratoři. U některých simulací očekáváme, že to, co by při praktickém testování v laboratoři zabralo celý den práce, uděláme na počítači Blue Gene v řádu sekund.“
Systém, který bude nainstalován v EPFL, bude zabírat tolik místa jako čtyři ledničky a bude mít špičkovou rychlost zpracování minimálně 22,8 biliónu operací s plovoucí desetinnou čárkou za sekundu (22,8 teraflopů), čímž se zařadí mezi nejvýkonnější superpočítače na světě.
V první fázi projektu bude vytvořena softwarová replikace sloupce neokortexu. Neokortex tvoří zhruba 85% celkové hmoty lidského mozku a je považován za centrum kognitivních funkcí jako jazyka, učení, paměti a komplexního myšlení. Přesná replika sloupce neokortexu je nezbytným prvním krokem k simulaci celého mozku a zároveň vytvoří vazbu mezi genetickou, molekulární a kognitivní úrovní funkce mozku. Od druhé fáze bude simulace rozšiřována o okruhy dalších oblastí mozku až nakonec obsáhne celý mozek.
V rámci dohody s IBM bude část času superpočítače Blue Gene věnována také dalším ambiciózním výzkumným projektům. Jedním z nich je spolupráce výzkumníků z Výzkumné laboratoře IBM v Curychu s vědci Institutů komplexní fyziky hmoty a fyziky nanostruktur EPFL na výzkumu budoucích polovodičových technologií (post-CMOS), například uhlíkových nanovláken, v rámci neustálé snahy o vývoj menších polovodičů a mikročipů.
Výzkumníci dalších institutů EPFL budou Blue Gene používat také pro zkoumání možností využití plazmy jako možné metody výroby energie. Další tým bude Blue Gene používat při výzkumu skládání bílkovin a jejich podílu na vzniku Creutzfeldt-Jakobovy choroby (nemoci šílených krev) a dalších chorob.
