뇌 시뮬레이션

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뇌 시뮬레이션은 뇌의 기능적 컴퓨터 모델이나 뇌의 일부를 만드는 개념이다.^[1] 뇌 시뮬레이션 프로젝트는 뇌에 대한 완전한 이해에 기여하고, 결국 뇌 질환을 치료하고 진단하는 과정에도 도움을 주려는 것이다.^[2][3]

전 세계의 다양한 시뮬레이션이 C. 엘레강아지,^[4] 블루 브레인 프로젝트 쇼케이스와 같은 오픈 소스로 전부 또는 부분적으로 공개되었다.^[5] 블루브레인 프로젝트가 사용하는 기술을 활용하고 이를 기반으로 구축한 휴먼브레인프로젝트는 2013년 브레인 모델 시뮬레이션을 위해 설계된 인터넷 접속 협업 플랫폼인 브레인 시뮬레이션 플랫폼(BSP)을 만들었다.^[6]

방법들

뇌(또는 뇌 하위 시스템)를 모델링하는 것은 뉴런의 전기적 및 대량 화학적 특성(예: 세포외 세로토닌 그라데이션)을 모델링하는 것을 포함한다. 대상 유기체의 신경 코넥텀 모델도 필요하다. 코넥텀은 매우 복잡하고, 그것의 상세한 배선은 아직 파악되지 않았다. 따라서 그것은 현재 블루 브레인 프로젝트와 같은 프로젝트에 의해 더 작은 포유류에서 경험적으로 모델링되고 있다.^{[citation needed]}

블루 브레인 프로젝트는 분자 수준으로 내려가는 포유류 피질 기둥의 컴퓨터 시뮬레이션을 만들 계획이다.^[7] 블루 브레인 프로젝트의 방법론을 사용하여 인간 코넥텀을 완전히 재구성하려면 제타바이트의 데이터 스토리지가 필요할 것으로 추정된다.^{[citation needed]}

예

선충(원충)

단순한 엘레간스 네마토드(원충)의 촉각 감도를 위한 신경회로의 연결은 1985년에^[8] 매핑되었고 1993년에 부분적으로 시뮬레이션 되었다.^[9] 2004년 이후 웜의 물리적 환경에 대한 시뮬레이션을 포함하여 완전한 신경계 및 근육계통의 소프트웨어 시뮬레이션이 많이 개발되었다. 소스 코드를 포함한 이 모델들 중 일부는 다운로드가 가능하도록 만들어졌다.^[10][4] 그러나, 뉴런과 그 사이의 연결이 어떻게 상대적으로 단순한 유기체에서 관찰되는 놀라울 정도로 복잡한 행동의 범위를 만들어내는지에 대한 이해는 여전히 부족하다.^[11][12] 지도화된 뉴런들이 이웃들과 어떻게 상호작용하는지에 대한 명백한 단순성과 전체 뇌 기능의 복잡성을 초과하는 것 사이의 이러한 대비는 새로운 성질의 예다. ^[13] 이러한 종류의 긴급한 성질은 종종 복잡하고 추상적인 출력물에 비해 매우 간단한 인공 신경망 내에서 병렬로 연결된다.

드로소필라 신경계

초파리인 드로소필라의 뇌도 철저히 연구되었다. 초파리의 뇌 모형은 형제 뉴런의 독특한 모델을 제공한다.^[14] 회충처럼, 이것은 오픈 소스 소프트웨어로 이용 가능하게 되었다.^[15]

마우스 두뇌 매핑 및 시뮬레이션

Henry Markram은 1995년과 2005년 사이에 마우스 뇌에 있는 뉴런의 종류와 그 연결을 지도화했다.^{[citation needed]}

2006년 12월 블루 브레인 프로젝트는 쥐의 신피질 기둥의 시뮬레이션을 완료했다.^[16] 신피질 기둥은 신피질 중 가장 작은 기능 단위로 간주된다. 신피질은 의식적 사고와 같은 고차원의 기능을 담당한다고 생각되는 뇌의 한 부분으로, 쥐의 뇌에 1만 개의⁸ 뉴런(및 10개의 시냅스)이 포함되어 있다. 2007년 11월,^[17] 이 프로젝트는 1단계의 종료를 보고하여, 신피질 기둥의 생성, 검증, 연구를 위한 데이터 중심 프로세스를 제공하였다.

"마우스 뇌의 절반만큼 크고 복잡하다"^[18]고 묘사된 인공신경망은 2007년 네바다 대학의 연구팀에 의해 IBM Blue Gene 슈퍼컴퓨터에서 운영되었다. 시뮬레이션 시간의 매초는 컴퓨터 시간의 10초가 걸렸다. 연구원들은 가상 피질을 통해 흐르는 "생물학적으로 일관된" 신경 자극을 관찰했다고 주장했다. 그러나 시뮬레이션에는 실제 생쥐 뇌에서 볼 수 있는 구조가 부족했고, 뉴런과 시냅스 모델의 정확도를 높이려는 의도도 있었다.^[19]

2019년 블루브레인 프로젝트를 연구하는 컴퓨터 신경과학자 중 한 명인 이단 세게브는 '컴퓨터의 뇌: 내가 뇌를 시뮬레이션하면서 배운 것은 무엇인가'라는 주제로 강연을 했다. 그는 강연에서 마우스 두뇌의 전체 피질이 완료되었고 가상 EEG 실험이 곧 시작될 것이라고 언급했다. 그는 또 모델이 당시 사용하던 슈퍼컴퓨터에 너무 무거워졌고, 결과적으로 모든 뉴런이 신경망으로 대표될 수 있는 방법을 탐구하고 있다고 언급했다(자세한 내용은 인용 참조).^[20]

블루 브레인과 쥐

블루 브레인(Blue Brain)은 IBM과 스위스 로잔 연방기술연구소가 2005년 5월 시작한 프로젝트다. 이 프로젝트의 의도는 분자 수준으로 내려가는 포유류 피질 기둥의 컴퓨터 시뮬레이션을 만드는 것이었다.^[7] 이 프로젝트는 IBM의 Blue Gene 설계에 기초한 슈퍼컴퓨터를 사용하여 시냅스 연결성과 이온 투과성을 기반으로 뉴런의 전기적 동작을 시뮬레이션한다. 이 프로젝트는 결국 자폐증과 같은 뉴런의 오작동으로 인한 인간의 인식과 다양한 정신질환에 대한 통찰력을 드러내고, 약리학적 요인들이 네트워크 행동에 어떤 영향을 미치는지 이해하고자 한다.

K 컴퓨터와 인간의 두뇌

2013년 말, 일본과 독일의 연구원들은 당시 4번째로 빠른 슈퍼컴퓨터인 K 컴퓨터와 시뮬레이션 소프트웨어 NEST를 사용하여 인간 두뇌의 1%를 시뮬레이션했다. 시뮬레이션은 10조4000억개의 시냅스로 연결된 17억3000만개의 신경세포로 구성된 네트워크를 모델로 했다. 이 같은 위업을 실현하기 위해 K컴퓨터 프로세서 8만2944명을 모집했다. 이 과정은 40분이 걸렸고, 뉴런 네트워크 활동 1초의 시뮬레이션을 실제, 생물학적, 시간에 완료했다.^[21][22]

휴먼 브레인 프로젝트

인간 두뇌 프로젝트(HBP)는 유럽 연합이 후원하는 10년 연구 프로그램이다. 그것은 2013년에 시작되었고 유럽 전역의 약 500명의 과학자들을 고용하고 있다. 여기에는 다음 6개의 플랫폼이 포함된다.

• 신경정보학(공유 데이터베이스),
• 뇌 시뮬레이션
• 고성능 분석 및 컴퓨팅
• 의료정보학(환자 데이터베이스)
• 뉴로모픽 컴퓨팅(뇌에서 영감을 받은 컴퓨팅)
• 뉴로보틱스(로보틱 시뮬레이션)

뇌 시뮬레이션 플랫폼(BSP)은 실험실에서 불가능한 조사를 할 수 있는 인터넷 접속 도구용 장치다. 그들은 블루 브레인 기법을 소뇌, 해마, 그리고 기저 뇌와 같은 다른 뇌 부위에 적용하고 있다.^[23]

오픈 소스 뇌 시뮬레이션

다양한 뇌 모델이 오픈소스 소프트웨어(OSS)로 출시돼 기트허브 등 사이트에서는 세계 최대 기능성 뇌 모델이자 NENGO 소프트웨어 아키텍처를 기반으로 ^[25]한 C.선충 회충,^[4] 드로소필라 초파리,^[15] 인간 뇌 모델 엘리시아^[24], 스파운 등 다양한 뇌 모델이 가능하다.^[26] 블루 브레인 프로젝트 쇼케이스도 블루 브레인 프로젝트의 모델과 데이터를 어떻게 NeuroML과 PyNN(피톤 뉴런 네트워크 모델)으로 변환할 수 있는지를 보여준다.^[5]

뇌 시뮬레이션 플랫폼(BSP)은 휴먼 브레인 프로젝트가 만든 뇌 시뮬레이션을 위한 인터넷에 접속 가능한 개방형 협업 플랫폼이다.^[23]

참고 항목

• 전뇌 에뮬레이션
• 인공지능

참조