OpenWorm — международный проект по созданию компьютерной модели ( in silico ) на клеточном уровне одного из наиболее полно изученных современной биологией микроорганизмов — червя Caenorhabditis elegans .

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 трехмерный интерактивный анатомический атлас червя. Участники проекта OpenWorm также развивают платформу geppetto, предназначенную для моделирования целых организмов .

В 2015 году координатор проекта С. Ларсон заявил, что поставленные цели выполнены на 20—30 % .

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 Nemaload — исследовательская программа по эмпирическому поиску биологических фактов, которые потребуются для полноценной симуляции «снизу вверх». Основатель Nemaload, , 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

• от 2 декабря 2014 на Wayback Machine — страница проекта
• от 18 апреля 2021 на Wayback Machine .
• от 12 ноября 2014 на Wayback Machine
• от 14 ноября 2013 на Wayback Machine
• от 31 января 2022 на Wayback Machine
• от 20 января 2022 на Wayback Machine