OpenWorm - OpenWorm

OpenWorm es un proyecto internacional de ciencia abierta para simular el gusano redondo Caenorhabditis elegans a nivel celular como una simulación . Aunque el objetivo a largo plazo es modelar las 959 células de C. elegans , la primera etapa es modelar la locomoción del gusano simulando las 302 neuronas y 95 células musculares. Esta simulación de abajo hacia arriba está siendo perseguida por la comunidad OpenWorm. En el momento de escribir este artículo, se ha construido un motor de física llamado Sibernetic para el proyecto y se han creado modelos del conectoma neural y una célula muscular en formato NeuroML . Se puede acceder a un modelo 3D de la anatomía del gusano a través de la web a través del navegador OpenWorm. El proyecto OpenWorm también está contribuyendo al desarrollo de Geppetto, una plataforma de simulación de múltiples escalas y algoritmos múltiples basada en la web diseñada para respaldar la simulación de todo el organismo.

Antecedentes: C. elegans

El gusano redondo Caenorhabditis elegans es un nematodo transparente de vida libre , de aproximadamente 1 mm de longitud, que vive en suelos templados. Es la especie tipo de su género.

Un gusano adulto Caenorhabditis elegans

C. elegans tiene uno de los sistemas nerviosos más simples de cualquier organismo, y su tipo hermafrodita tiene solo 302 neuronas. Además, el conectoma estructural de estas neuronas está completamente desarrollado. Hay menos de mil células en todo el cuerpo de un gusano C. elegans y, dado que C. Elegans es un organismo modelo , cada una tiene un identificador único y una amplia literatura de apoyo. Al ser un organismo modelo, el genoma es completamente conocido, junto con muchos mutantes bien caracterizados fácilmente disponibles, una literatura completa de estudios de comportamiento, etc. Con tan pocas neuronas y nuevas técnicas de microscopía de fotones de calcio 2, pronto debería ser posible registrar el conjunto neuronal completo. actividad de un organismo vivo. Al manipular las neuronas a través de técnicas optogenéticas, combinado con las capacidades de registro anteriores, el proyecto se encuentra en una posición sin precedentes para poder caracterizar completamente la dinámica neuronal de todo un organismo.

En el proceso de intentar construir un modelo "in silico" de un organismo relativamente simple como C. elegans , se están desarrollando nuevas herramientas que facilitarán el modelado de organismos progresivamente más complejos.

Proyecto OpenWorm

Aunque el objetivo final es simular todas las características del comportamiento de C. elegans , el proyecto es nuevo y el primer comportamiento que la comunidad OpenWorm decidió simular es una respuesta motora simple: enseñar al gusano a gatear. Para ello, el gusano virtual debe colocarse en un entorno virtual. Se debe establecer un circuito de retroalimentación completo: Estímulo ambiental> Transducción sensorial> Activación de interneuronas> Activación de neuronas motoras> Salida del motor> Cambio ambiental> Transducción sensorial.

Aquí hay dos desafíos técnicos principales: modelar las propiedades neuronales / eléctricas del cerebro a medida que procesa la información y modelar las propiedades mecánicas del cuerpo a medida que se mueve. Las propiedades neuronales están siendo modeladas por un modelo de Hodgkin-Huxley , y las propiedades mecánicas están siendo modeladas por un algoritmo hidrodinámico de partículas suavizadas.

El equipo de OpenWorm construyó un motor llamado Geppetto que podría integrar estos algoritmos y, debido a su modularidad, podrá modelar otros sistemas biológicos (como la digestión ) que el equipo abordará más adelante.

El equipo también construyó un entorno llamado NeuroConstruct que puede generar estructuras neuronales en NeuroML . Utilizando NeuroConstruct, el equipo reconstruyó el conectoma completo de C. elegans .

Usando NeuroML, el equipo también ha construido un modelo de una célula muscular. Tenga en cuenta que estos modelos actualmente solo modelan las propiedades relevantes para la respuesta motora simple: las propiedades neuronales / eléctricas y mecánicas discutidas anteriormente.

El siguiente paso es conectar esta célula muscular a las seis neuronas que hacen sinapsis con ella y aproximar su efecto.

El plan aproximado es entonces ambos:

  • Aproxima las sinapsis que hacen sinapsis en esas neuronas
  • Repita el proceso para otras células musculares.

Progreso

En enero de 2015, el proyecto aún está pendiente de revisión por pares, y los investigadores involucrados en el proyecto son reacios a hacer afirmaciones audaces sobre su parecido actual con el comportamiento biológico; el coordinador del proyecto, Stephen Larson, estima que están "sólo entre el 20 y el 30 por ciento del camino hacia donde necesitamos llegar".

Proyectos relacionados

En 1998, investigadores japoneses anunciaron el Proyecto Perfect C. elegans. Se envió una propuesta, pero el proyecto parece haber sido abandonado.

En 2004, un grupo de Hiroshima inició el Proyecto Virtual C. elegans. Publicaron dos artículos que mostraban cómo su simulación se retractaría de la estimulación virtual.

En 2005, un investigador de Texas describió un simulador simplificado de C. elegans basado en una red de 1 cable que incorpora un procesador digital Parallax Basic Stamp, entradas sensoriales y salidas de motor. Las entradas empleaban convertidores A / D de 16 bits conectados a neuronas simuladas de amplificador operacional y un sensor de temperatura de 1 cable. Las salidas del motor fueron controladas por potenciómetros digitales de 256 posiciones y puertos digitales de 8 bits. La acción de los músculos artificiales se basó en actuadores de Nitinol. Utilizaba un bucle operativo "sentido-proceso-reacción" que recreaba varios comportamientos instintivos.

Estos primeros intentos de simulación han sido criticados por no ser biológicamente realistas. Aunque tenemos el conectoma estructural completo, no conocemos los pesos sinápticos en cada una de las sinapsis conocidas. Ni siquiera sabemos si las sinapsis son inhibitorias o excitadoras. Para compensar esto, el grupo de Hiroshima utilizó el aprendizaje automático para encontrar algunos pesos de las sinapsis que generarían el comportamiento deseado. Por lo tanto, no es de extrañar que el modelo muestre el comportamiento y puede que no represente una verdadera comprensión del sistema.

Ciencia abierta

La comunidad OpenWorm está comprometida con los ideales de la ciencia abierta . Generalmente, esto significa que el equipo intentará publicar en revistas de acceso abierto e incluir todos los datos recopilados (para evitar el problema del cajón de archivos ). De hecho, todos los datos biológicos que el equipo ha recopilado están disponibles públicamente y las cinco publicaciones que el grupo ha realizado hasta ahora están disponibles de forma gratuita en su sitio web. Todo el software que ha producido OpenWorm es completamente gratuito y de código abierto.

OpenWorm también está probando un modelo radicalmente abierto de colaboración científica. El equipo está formado por cualquiera que desee formar parte de él. Hay más de cien "miembros" que están inscritos en la lista de correo técnico de alto volumen. Entre los miembros más activos que aparecen en una publicación hay colaboradores de Rusia, Brasil, Inglaterra, Escocia, Irlanda y Estados Unidos. Para coordinar este esfuerzo internacional, el equipo utiliza "reuniones de laboratorio virtual" y otras herramientas en línea que se detallan en la sección de recursos.

Referencias

enlaces externos