p Ao contrário dos neurocientistas experimentais que lidam com neurônios da vida real, neurocientistas computacionais usam simulações de modelo para investigar como o cérebro funciona. Embora muitos neurocientistas computacionais usem modelos matemáticos simplificados de neurônios, pesquisadores da Unidade de Neurociência Computacional da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) desenvolvem software que modela neurônios em detalhes de interações moleculares com o objetivo de obter novos insights sobre a função neuronal. As aplicações do software eram limitadas em escopo até agora por causa do intenso poder computacional necessário para tais modelos neuronais detalhados, mas recentemente o Dr. Weiliang Chen, Dr. Iain Hepburn, e o professor Erik De Schutter publicou dois artigos relacionados nos quais descrevem a precisão e escalabilidade de seu novo software computacional de alta velocidade, "ETAPAS paralelas". As descobertas combinadas sugerem que o Parallel STEPS pode ser usado para revelar novos insights sobre como os neurônios individuais funcionam e se comunicam uns com os outros. p O primeiro artigo, publicado em The Journal of Chemical Physics em agosto de 2016, concentra-se em garantir que a precisão dos STEPS paralelos seja comparável aos métodos convencionais. Em abordagens convencionais, cálculos associados a reações químicas neuronais e difusão de moléculas são todos calculados em uma unidade de processamento computacional ou 'núcleo' sequencialmente. Contudo, O Dr. Iain Hepburn e colegas introduziram uma nova abordagem para realizar cálculos de reação e difusão em paralelo, que podem então ser distribuídos em vários núcleos de computador, enquanto mantém a precisão da simulação em um alto grau. A chave era desenvolver um algoritmo original separado em duas partes - uma que calculava os eventos de reação química e os outros eventos de difusão.

p "Testamos uma série de simulações de modelo de modelos de difusão simples a modelos biológicos realistas e descobrimos que poderíamos alcançar um desempenho melhorado usando uma abordagem paralela com perda mínima de precisão. Isso demonstrou a potencial adequação do método em uma escala maior, "diz o Dr. Hepburn.

p Em um artigo relacionado publicado em Fronteiras em Neuroinformática em fevereiro, Dr. Weiliang Chen apresentou os detalhes de implementação do Parallel STEPS e investigou seu desempenho e aplicações potenciais. Ao quebrar um modelo parcial de uma célula de Purkinje - um dos maiores neurônios do cérebro - em 50 a 1000 seções e simular eventos de reação e difusão para cada seção em paralelo no supercomputador Sango no OIST, Dr. Chen e seus colegas viram velocidades de computação dramaticamente aumentadas. Eles testaram essa abordagem em modelos simples e modelos mais complicados de explosões de cálcio em células de Purkinje e demonstraram que a simulação paralela poderia acelerar os cálculos em mais de várias centenas de vezes em relação aos métodos convencionais.

p "Juntos, nossas descobertas mostram que a implementação do Parallel STEPS alcança melhorias significativas no desempenho, e boa escalabilidade, "diz o Dr. Chen." Modelos semelhantes que antes exigiam meses de simulação agora podem ser concluídos em horas ou minutos, o que significa que podemos desenvolver e simular modelos mais complexos, e aprender mais sobre o cérebro em menos tempo. "

p Dr. Hepburn e Dr. Chen da Unidade de Neurociência Computacional do OIST, liderado pelo professor Erik De Schutter, estão colaborando ativamente com o Projeto Cérebro Humano, uma iniciativa mundial baseada na École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) na Suíça, para desenvolver uma versão mais robusta do Parallel STEPS que incorpora simulação de campo elétrico de membranas celulares.

p Até agora, o STEPS é apenas capaz de modelar realisticamente partes de neurônios, mas com o suporte do STEPS paralelo, a Unidade de Neurociência Computacional espera desenvolver um modelo em escala real de um neurônio inteiro e, posteriormente, as interações entre os neurônios em uma rede. Colaborando com a equipe EPFL e fazendo uso do supercomputador IBM 'Blue Gene / Q' localizado lá, eles visam atingir esses objetivos em um futuro próximo.

p "Graças aos supercomputadores modernos, podemos estudar eventos moleculares dentro dos neurônios de uma forma muito mais transparente do que antes, "diz o Prof. De Schutter." Nossa pesquisa abre caminhos interessantes na neurociência computacional que liga a bioquímica com a eletrofisiologia pela primeira vez. "