PERCHÉ SERVE UN SUPERCOMPUTER PER MAPPARE UN CERVELLO DI TOPO
La struttura di una mente di topo è incredibilmente complessa
All’interno di una sala di 25.000 piedi quadrati all’interno dell’Argonne National Laboratory, uno dei più formidabili supercomputer al mondo – Theta – sta applicando la sua incredibile potenza di calcolo alla più grande quantità di dati mai registrati o analizzati. Sono le informazioni che i ricercatori sperano possano un giorno contribuire alla nostra comprensione dell’intelligenza stessa.
E in questo caso, tutti i dati si inseriscono nel cranio di un topo.
Theta sta attualmente mappando le strutture dei cervelli dei topi, usando un set di dati che viene raccolto in modo frammentario da Narayanan “Bobby” Kasthuri, ricercatore di neuroscienze presso l’Argonne National Laboratory e assistente professore di neurobiologia presso l’Università di Chicago. Quando viene acquisito l’intero set, da zuppa a nocciolo, il risultato finale è previsto in un milione di terabyte, una mostruosa, impossibile da comprendere quantità di informazioni non elaborate.
Kasthuri spiega le sue aspirazioni per quelle enormi quantità di dati dopo aver spinto giù Drexel Avenue per sfuggire al freddo nel campus della University of Chicago vicino al suo laboratorio. Per lui, il futuro spera possieda una comprensione incomparabile del cervello.
Il laboratorio di Kasthuri utilizza Theta per creare diagrammi colorati, macchie di colore che si passano l’un l’altro con la ciclica psichedelia di un titolo di Broad City. Quello che stanno disegnando è tanto divertente quanto sembra; piccole fette di cervello di topo, appuntate e codificate per mostrare la struttura del cervello su un livello minuscolo. I blob di colore sono neuroni e sinapsi, i percorsi attraverso i quali la mente si muove, ognuno di essi è documentato in una mappa in scala nanometrica chiamata connettoma.
I ricercatori pensano che un connettoma completo potrebbe aiutare a sbloccare i misteri della cognizione e dei disturbi della salute mentale e potrebbe approfondire la nostra comprensione delle differenze e delle somiglianze tra il cervello di vari organismi. A livello di base, fornirà una conoscenza delle unità operative del cervello che è fondamentale per la ricerca corrente.
Attualmente, Kasthuri è interessato a creare e confrontare i connettivi parziali di diversi tipi di cervelli di animali . In questo momento, il laboratorio sta lavorando su sezioni associate alla dipendenza nei topi. Un connettoma dipendente da mouse-cocaina rispetto a un connettoma mouse non dipendente potrebbe identificare quali neuroni sono influenzati dalla dipendenza.
“Stiamo già trovando – sembra che ci siano cambiamenti strutturali nel cervello dipendente”, dice Kasthuri.
CERVELLI SU UN NASTRO TRASPORTATORE
Studiare la struttura di un cervello di topo è un processo delicato, con un enorme potenziale di errore. I cervelli vengono strappati dal mouse il più velocemente possibile, che è stato preservato con fissativi aldeidici in una corsa contro il danno della morte. Una sezione del cervello viene macerata in macchie di metalli pesanti per il microscopio elettronico a scansione (SEM) ad Argonne. Dopo essere stato disidratato e plastificato, il campione viene tagliato con un dispositivo simile a un cutter con un coltello diamantato e un paio di atomi larghi. Con i tipici sistemi di taglio, l’affettatura e lo spostamento dei campioni possono portare a imperfezioni, che potrebbero essere ingrandite quando viene coinvolto il supercomputer.
IL CAMPIONE VIENE TAGLIATO CON UN COLTELLO SIMILE A UN CUTTER CON UN COLTELLO DIAMANTATO
Questi piccoli difetti possono significare enormi problemi quando i ricercatori iniziano ad analizzare i dati, spiega Animashree Anandkumar, un professore di Bren di computer e scienze matematiche al Caltech che non è coinvolto nel progetto. “Queste distorsioni possono portare a correlazioni spurie”, dice.
La soluzione di Kasthuri è semplice: un sistema di trasporto proprietario che rimuove rapidamente le sezioni del cervello, riducendo al minimo l’errore umano. Dopo la corsa sul trasportatore, i campioni vengono scansionati dal SEM, risultando in pile di dati di immagine. I singoli neuroni, sinapsi e altre strutture sono riconosciuti per forma, tracciati, colorati come sarebbero in Photoshop, lavoro noioso ma cruciale svolto da studenti come Anastasia Sorokina e Katrina Norwood, studenti laureati nel laboratorio di Kasthuri.
I membri del laboratorio di Kasthuri Anastassia Sorkina, Katrina Norwood e Rafael Vescovi B David Zarley
Sfortunatamente, ci vuole un essere umano per colorare digitalmente ogni singola struttura, e l’analisi dei risultati crea il collo di bottiglia principale della connettività. Il sogno di Kasthuri: un cervello completo di topo; il “mouseshot” – sarebbe praticamente impossibile con le sole persone. Ha fatto i conti. Ogni persona sulla Terra funzionava perfettamente, otto ore al giorno, sei giorni alla settimana sarebbero ancora necessari 500-1000 anni per completare il progetto. Cento, se potessi abbozzare chiunque abbia mai vissuto.
UN LIBRO DA COLORARE PER COMPUTER
La risposta è un algoritmo. Nello specifico, reti di riempimento dell’inondazione sviluppate da Google AI e dal Max Planck Institute of Neurobiology in Germania.
“Quando hai a che fare con miliardi, trilioni e centinaia di migliaia di miliardi di pixel in questi set di dati, non c’è modo che l’analisi umana sia fattibile”, afferma Viren Jain di Google AI.
NON C’È PROPRIO MODO CHE L’ANALISI UMANA SIA FATTIBILE
Secondo Jain, uno degli architetti dell’algoritmo in uso, l’algoritmo di riempimento inondazioni si avvicina ai dati nel modo in cui una persona farebbe un libro da colorare. Inizia con una certa struttura – un particolare neurone, per esempio – che si riempie prima di passare agli altri. Ecco dove arriva Theta.
Haritha Siddabathuni Som, team leader presso il Leadership Computing Facility del laboratorio nazionale di Argonne, elenca le impressionanti statistiche del supercomputer: è il supercomputer più potente della struttura, occupa 24 rack server e quando non sta mappando il cervello del mouse, sta lavorando su altri enormi set di dati , inclusi alcuni del Large Hadron Collider del CERN , che scrutano i misteri della fisica delle particelle.
Supercomputer Theta del laboratorio nazionale Argonne B David Zarley
L’hardware XC40 Intel-Cray di Theta è in grado di 11,69 petaflop, che, per il profano, è davvero spaventoso . Gli esseri umani possono analizzare un micron cubico di cervello di topo in circa 2 minuti; ci sono un trilione di micron cubici in un cervello di topo. Mentre per completare l’operazione ci vorrebbero secoli interi di umanità, Kasthuri crede che Theta, usando l’algoritmo, possa farlo in soli cinque anni.
L’algoritmo di riempimento del flusso sfrutta la potenza di Theta per tracciare, colorare e compilare i dati del cervello del mouse, inviandoli al cluster di analisi e visualizzazione di Argonne, Cooley, che produce i connettivi dell’acido. I set di dati saranno open source, disponibili per tutti e tutti da guardare e studiare.
L’approccio dell’algoritmo è un ordine di grandezza migliore rispetto alle opzioni precedenti. Ma anche con un algoritmo allo stato dell’arte e un potente supercomputer, il progresso verso un intero mouse è ancora lento.
Un connectome completo è raro; ce n’era uno alla fine degli anni ’80, del verme C. elegans, per esempio. Il prossimo cervello completo sarà probabilmente la mosca della frutta, un cavallo di battaglia della scienza; Il progetto FlyEM presso il Janelia Research Campus mira ad avere un connettoma completo di circa 1/3 del cervello della mosca della frutta pubblicato in un anno, Stephen Plaza, scienziato del progetto, dice al telefono.
KASTHURI SI ASPETTA CHE IL SUO CERVELLO DEL TOPO SIA FINITO ENTRO CINQUE ANNI DALLA MOSCA
Circa 30 anni separano il pieno connettivo del verme di C. elegans dal cervello della mosca della frutta; in confronto, Kasthuri si aspetta di avere il cervello del topo finito entro cinque anni dal volo, ovviamente in attesa di finanziamento. L’obiettivo finale è audace, anche rispetto al mouseshot: un pieno collegamento del cervello umano. Questo sforzo richiederà più tempo e un n supercomputer ancora più grande e potente , l’Aurora 21, attualmente in costruzione ad Argonne .
Kasthuri si appoggia quando parla delle possibilità che un connettivo umano completo può svelare. Immagina la capacità di trovare e risolvere problemi causati da disturbi della salute mentale e lesioni cerebrali traumatiche; immagina di provare se la cognizione deriva dalla costruzione di connessioni o, come fa uno scultore, di levigarli, levigarli (gli piace il secondo). Lui, e gli altri ricercatori sul campo, immaginano le risposte, che ovviamente ispireranno più curiosità.
“Stiamo costantemente scoprendo che guardare il connectome in pratica sembra essere un vaso di Pandora”, afferma Plaza del team FlyEM. “Non per le risposte, ma per ancora più domande.”