OpenWorm — международный проект по созданию компьютерной модели (in silico) на клеточном уровне одного из наиболее полно изученных современной биологией микроорганизмов — червя Caenorhabditis elegansCurrent practice in software development for computational neuroscience and how to improve it. Gewaltig, M.-O., & Cannon, R. (2014). PLoS Computational Biology, 10(1), e1003376. doi:10.1371/journal.pcbi.1003376.
Конечной целью проекта является полная модель, которая включает все клетки C. elegans (чуть менее тысячи). На первой стадии будет моделироваться передвижение червя, для чего симулируется работа 302 нервных клеток и 95 мышечных. На 2014 год были созданы модели нейронного коннектома и мышечных клеток. На сайте проекта доступен трёхмерный интерактивный анатомический атлас червя. Участники проекта OpenWorm также развивают платформу geppetto, предназначенную для моделирования целых организмовOpenworm is going to be a digital organism in your browser // Venturebeat, 2014-04-30.
В 2015 году координатор проекта С. Ларсон заявил, что поставленные цели выполнены на 20—30 %. __TOC__
Червь C. elegans Круглый червь C. elegans для современной генетики является аналогом мухи дрозофилы для классических естественнонаучных дисциплин; он имеет одну из наиболее простых нервных систем, состоящую всего из 302 нейронов. Более того, изучена структура соединений между ними (коннектом). Всего в организме червя чуть менее тысячи клеток, все они идентифицированы и описаны в научной литературе, поскольку C. elegans является популярным модельным организмом. Также полностью прочитан геном червя, описано множество мутаций, поведение червей и т. п. При столь низком числе нейронов использование двухфотонной микроскопии может позволить описать полную нейронную активность живого организма. С помощью оптогенетических технологий возможно будет полностью описать нейродинамику организма.
В процессе создания полной модели живого существа «in silico» будут созданы новые средства и методы, которые упростят моделирование более сложных организмов.
Проект NemaLoad Проект NemaloadNemaLoad — исследовательская программа по эмпирическому поиску биологических фактов, которые потребуются для полноценной симуляции «снизу вверх». Основатель Nemaload, David Dalrymple, сотрудничает с проектом OpenWorm.
Проект OpenWorm Несмотря на заявленную конечную цель проекта по симуляции всего организма C. elegans и особенностей его поведения, проект Open Worm сначала планирует достичь лишь симуляции простейших моторных реакций. Для этого виртуальный червь должен быть помещен в виртуальную окружающую среду. Требуется достичь полноценной обратной связи по цепочке: Стимул среды — сенсорная трансдукция — срабатывание промежуточных нейронов — срабатывание моторных нейронов — сокращение мышечных клеток — изменение среды — сенсорная трансдукция и так далее…
Две основные технические проблемы: моделирование нейронных и электрических свойств нервной системы в процессе обработки информации и, затем, моделирование механических свойств тела червя в процессе движения. Свойства нейронов моделируются уравнениями Hodgkin Huxley, а механические свойства — алгоритмом Smoothed Particle Hydrodynamic.
Команда OpenWorm создала программу Geppetto, которая интегрирует в себе эти алгоритмы и, благодаря своей модульности, сможет моделировать другие биологические системы (например, пищеварение).
Команда также создала окружение NeuroConstruct, которая описывает структуры нейронов в формате NeuroML. С помощью NeuroConstruct был реконструирован полный коннектом C. elegans.
В формате NeuroML также была создана модель мышечной клетки. Однако на текущий момент модели включают в себя лишь простейшие реакции, но не электрические или механические свойства.
На следующей стадии проекта участники соединят мышечную клетку с шестью нейронами и изучат их взаимодействие.
В дальнейшем процесс будет повторяться для остальных мышечных клеток.
Родственные проекты
Примечания
Ссылки Openworm — страница проекта Milestones . Models OpenWorm browser Geppetto Sibernetic
Категория:Компьютерное моделирование Категория:Открытая наука Категория:Искусственная жизнь Категория:Программное обеспечение с лицензией MIT