129. О перспективах создания первого виртуального организма — биологически обоснованной компьютерной модели нематоды C. elegans, включающей нервную систему

Биологически достоверное компьютерное моделирование нервной системы является относительно новой междисциплинарной областью исследований на стыке нейробиологии, нейрокибернетики и науки об искусственном интеллекте. Основная идея состоит в том, чтобы изучать механизмы работы нервной системы посредством детального исследования ее работы на нейрональном и субнейрональном уровнях (клеточные мембраны, нейриты, нейромедиаторы, ионные каналы и т.д) и воспроизводить эти данные и полученное знание в форме динамической модели, шаг за шагом дополняя ее. При этом кажется очевидным начать с наиболее простого организма чтобы проверить корректность концепции целиком и в случае успеха двигаться дальше, в сторону более сложных объектов. Для этой цели на данным момент существует единственный организм — нематода C. elegans, для которой архитектура ее нейронной сети (коннектом) практически полностью известна. Более того, ее структура, включая позиции нейронов, их морфологические признаки и межнейронные соединения  практически инвариантна между особями одного пола. Относительная простота нервной системы и при этом достаточно сложные поведенческие паттерны, а также механизмы памяти и обучения (Rankin, 2004) предоставляют несравнимые перспективы для широкого спектра нейробиологических задач. Несмотря на то, что коннектом C. elegans в первом приближении был экспериментально определен более 25 лет назад (White et al., 1986), а первая попытка создания виртуального организма на основе C. elegans была предпринята в 2005 (Suzuki et al.), полноценной действующей модели на данный момент не существует.
В течение последних десятилетий C. elegans был объектом большого числа исследований, как экспериментальными методами, так и с помощью компьютерного моделирования, в результате чего был накоплен внушительный объем знаний. Работа нашей исследовательской группы в этом направлении началась в  2007 году, а целью явилась объединение этих данных в функциональной форме трехмерной динамической модели, включающей, по меньшей мере, нервную, сенсорную и мышечную системы, взаимодействующие между собой в модели физической реальности (чтобы замкнуть круг обратной связи, так что движение, вызванное сигналом от нервной системы, изменяя позицию организма в пространстве и его локальное окружение, предоставляет сенсорную информацию обратно в ‘мозг’). Мы разработали прототип тела червя, мышечной системы и небольшого фрагмента нервной системы, управляющего поступательным движением нематоды (Пальянов и др., 2011). В начале 2011 наша исследовательская группа присоединилась к международному проекту OpenWorm с похожими целями и задачами, объединяющему специалистов в ряде соответствующих областей, таких, как биофизика, теоретическая и экспериментальная нейробиология, численные методы для моделирования, программирование и др. для быстрой и эффективной совместной работы. Будет рассказано о текущих успехах в рамках этой деятельности.
Говоря о данной области, нельзя не упомянуть о проекте Blue Brain, который представляет существенный первый шаг в направлении создания виртуального мозга человека целиком. Исследователи уже продемонстрировали обоснованность своих методов, разработав реалистичную модель колонки неокортекса крысы, состоящей примерно из 10,000 нейронов. В конечном счете, конечно, их целью является моделирование сотен миллионов нейронов. Однако, на данный момент, когда смоделированный фрагмент представляет собой лишь малую часть мозга, представляется весьма сложным проверить корректность его работы. Наши цели на этом фоне значительно менее амбициозны, но более достижимы в обозримые сроки и последовательны, что немаловажно, поскольку даже в процессе моделирование нервной системы нематоды вероятно, к примеру, выявить существующие разногласия между современными представлениями в нейробиологии и реальностью, и только движение шаг за шагом с проверкой корректности каждого из них может привести исследователей к успеху в понимании фундаментальных принципов лежащих в основе работы нервной системы.