Oprogramowanie symulacyjne do badania tajemnic mózgu
Mózg jest wysoce regulowanym organem, którego prawidłowe funkcjonowanie opiera się na precyzyjnych interakcjach neuronów, komórek glejowych i otaczającego je środowiska. Jednym z krytycznych, ale często pomijanych elementów tego środowiska jest przestrzeń pozakomórkowa (ES), czyli sieć mikroskopijnych, wypełnionych płynem szczelin między komórkami mózgu. Przestrzeń ta bierze udział w transporcie molekularnym, komunikacji komórkowej i dostarczaniu leków, ale przez wiele lat pozostawała niedostatecznie zbadana. Dwa niedawne odkrycia znacznie zwiększyły zainteresowanie badaniami nad ES. Pierwszym z nich jest identyfikacja układu glimfatycznego, czyli szlaku oczyszczania, który usuwa odpady metaboliczne, w tym toksyczne białka, takie jak amyloid beta związany z chorobą Alzheimera. Drugim jest rola, jaką przestrzeń pozakomórkowa odgrywa w napadach padaczkowych oraz w propagacji sygnałów molekularnych.
Oprogramowanie symulacyjne do badania ES
Zrozumienie procesu transportu makrocząsteczek w przestrzeni pozakomórkowej może pomóc w badaniu chorób neurodegeneracyjnych i procesów neurofarmakologicznych, a zwłaszcza dostarczania leków do ośrodkowego układu nerwowego. Projekt Human Brain Project poczynił ogromne postępy w neuronauce, ale nie uwzględnia wprost modelowania przestrzeni pozakomórkowej. Realizowany przy wsparciu programu https://marie-sklodowska-curie-actions.ec.europa.eu/?etrans=pl (działania „Maria Skłodowska-Curie”) (MSCA) projekt HESSP wykorzystał podejście in silico, aby rozwinąć dziedzinę i modelować dyfuzję substancji w przestrzeń zewnątrzkomórkowej, szczególnie w hipokampie. Region ten został wybrany ze względu na jego dobrze zdefiniowaną strukturę, znaczenie w testowaniu hipotez dyfuzyjnych i udział w chorobie Alzheimera.
Sposób na wyzwania obliczeniowe
„Symulowanie ruchu miliardów cząsteczek jest wymagające pod względem potrzebnej mocy obliczeniowej, musieliśmy więc przezwyciężyć ograniczenia pojemności pamięci istniejących zasobów obliczeniowych” — wyjaśnia Sergio Miguel Tomé, stypendysta MSCA. W tym celu zespół opracował innowacyjne narzędzie obliczeniowe zaprojektowane optymalnie tak, aby umożliwić efektywną symulację dyfuzji milionów cząstek. HAPS, czyli hybrydowy zaawansowany symulator cząstek (ang. hybrid advanced particles simulator), umożliwia badaczom przeprowadzanie eksperymentów poprzez dostosowanie geometrii środowiska i liczby uwolnionych cząstek oraz przypisanie współczynników dyfuzji w celu badania przestrzeni pozakomórkowej.
Aspekty techniczne rozwiązania HAPS
Symulator HAPS zaprojektowano z przyjaznym dla użytkownika interfejsem graficznym, dzięki czemu jest dostępny dla badaczy i edukatorów niemających wiedzy programistycznej. Symuluje dyfuzję w oparciu o ruchy Browna, a dzięki zoptymalizowanemu algorytmowi umożliwia śledzenie ruchu cząstek w środowiskach trójwymiarowych. Program oblicza położenie poszczególnych cząstek w kolejnych punktach czasowych. Wykorzystuje podejście dwupoziomowe, tzn. jeden model obliczeniowy zajmuje się ruchami na małą skalę, a drugi — dyfuzją na duże odległości. Takie podejście umożliwia symulację ogromnej liczby cząstek przy zachowaniu wysokiej wydajności obliczeniowej. W rezultacie HAPS pokonuje ograniczenia pamięci sprzętowej, które krępowały badania nad ES.
Wpływ HAPS na badania i edukację
Oczekuje się, że program wpłynie zarówno na edukację akademicką, jak i badania neuronaukowe. Bezpłatna wersja HAPS zostanie udostępniona instruktorom uniwersyteckim i studentom jako narzędzie edukacyjne w celu zwiększenia zrozumienia i zaangażowania w dyscyplinach takich jak neuronauka, farmakologia i biologia obliczeniowa. Z perspektywy badawczej HAPS przyspieszy badania in silico nad dyfuzją w ES; może być również stosowany w badaniach nad dostarczaniem leków w chorobach neurodegeneracyjnych. „Symulowanie dyfuzji w złożonych lokalizacjach anatomicznych wymaga ciągłego rozwoju oprogramowania, aby zintegrować bardziej szczegółowe reprezentacje struktur neuronowych i mikrośrodowisk” — podkreśla Tomé. Dalsze wysiłki skupią się na optymalizacji oprogramowania i dostosowaniu go do przyszłych potrzeb.
Słowa kluczowe
HESSP, HAPS, mózg, przestrzeń pozakomórkowa, oprogramowanie symulacyjne, choroba neurodegeneracyjna, ruchy Browna, hipokamp