Projeto do Instituto Allen usa simulação cerebral com quase dez milhões de neurônios e 86 regiões interconectadas para acelerar pesquisas em neurociência
Pesquisadores construíram uma das mais detalhadas simulação cerebral de um animal, utilizando o supercomputador Fugaku, um dos mais rápidos do mundo. O modelo digital de um cérebro de rato abre caminho para estudar Alzheimer, epilepsia e outras doenças de forma totalmente virtual, permitindo experimentos controlados, rápidos e, sobretudo, sem tecido real, segundo o MedicalXpress.
A equipe reproduziu quase dez milhões de neurônios, 26 bilhões de sinapses e 86 regiões cerebrais interconectadas, criando uma representação funcional do córtex em alta fidelidade. Com essa simulação cerebral, é possível observar como circuitos neurais se ativam, como sinais elétricos fluem e como redes complexas reagem a diferentes estímulos, um avanço técnico que promete acelerar descobertas em neurociência.
O Fugaku, desenvolvido por RIKEN e Fujitsu, foi essencial para processar quatrilhões de cálculos por segundo e transformar um volume massivo de dados biológicos em uma réplica digital coerente. A computação de alto desempenho, combinada a modelos baseados em medições reais, permite testar hipóteses científicas com rapidez e reprodutibilidade, reduzindo custos e a necessidade de experimentos invasivos.
Como nasceu a maior simulação de um cérebro animal
O projeto é liderado por cientistas do Instituto Allen e por Tadashi Yamazaki, Ph.D., da Universidade de Eletrocomunicações do Japão, em colaboração com outras três instituições. Com quase 160 mil nós distribuídos em camadas de unidades, prateleiras e racks, o Fugaku forneceu a infraestrutura para que o Brain Modeling ToolKit, do Instituto Allen, traduzisse propriedades biofísicas reais em neurônios digitais.
No núcleo do experimento, o simulador Neulite faz com que neurônios virtuais disparem, sinalizem e interajam como no cérebro vivo. O resultado é um córtex virtual que preserva a morfologia das células, a dinâmica de sinapses e o padrão de conectividade entre regiões, permitindo simulação cerebral em escala sem precedentes.
Para o pesquisador do Instituto Allen, Anton Arkhipov, os resultados demonstram viabilidade e caminho de crescimento dos modelos. “Isso mostra que a porta está aberta. Podemos executar esse tipo de simulação cerebral de forma eficaz com poder computacional suficiente”, comenta. Para ele, “é um marco técnico que nos dá a confiança de que modelos maiores não são apenas possíveis, mas alcançáveis”.
Por que a simulação é revolucionária para Alzheimer e epilepsia
Observar o córtex virtual é como assistir à biologia em tempo real. A simulação cerebral reproduz a forma e a função do tecido, incluindo ramificações dos neurônios, ativações de sinapses e o fluxo de sinais elétricos pelas membranas. Isso permite investigar como doenças neurodegenerativas, como o Alzheimer, podem se espalhar pelas redes neurais, e como crises epilépticas emergem de padrões anômalos de atividade.
Ao mapear a dinâmica de oscilações e o impacto das ondas cerebrais na atenção e na memória, cientistas podem testar intervenções de forma segura. Terapias, fármacos e estratégias de estimulação podem ser avaliados primeiro no ambiente digital, poupando recursos e tempo, além de orientar estudos em laboratório com maior precisão.
Em comunicado, Arkhipov reforça a ambição de longo prazo da iniciativa. “Nosso objetivo é construir modelos de cérebros inteiros, eventualmente humanos, usando todos os dados biológicos que estamos descobrindo.” A perspectiva de ampliar a simulação cerebral para cérebros humanos, mesmo de forma incremental, pode transformar a pesquisa clínica, antecipando efeitos, riscos e respostas antes de qualquer teste em tecido ou em pacientes.
Ciência e computação de ponta, o que vem a seguir
A colaboração internacional uniu o melhor da neurociência com o estado da arte da computação. O Instituto Allen forneceu modelos e dados do Banco de Dados de Tipos Celulares Allen e do Atlas de Conectividade Allen, enquanto o Fugaku deu vida a essas informações em grande escala. O resultado é um pipeline que vai de dados biológicos detalhados a uma simulação cerebral funcional do córtex.
Do ponto de vista metodológico, a combinação de Brain Modeling ToolKit e Neulite permite que os neurônios virtuais disparem de forma realista, que sinapses se fortaleçam ou enfraqueçam conforme o contexto e que regiões troquem informação como no cérebro de um animal vivo. Esse ecossistema computacional cria um laboratório digital, no qual hipóteses podem ser verificadas rapidamente e com rastreabilidade completa.
Os próximos passos envolverão expandir a complexidade das redes, integrar mais camadas de dados experimentais e estender os modelos para outras áreas do cérebro. Com poder computacional suficiente, a equipe afirma que modelos maiores estão ao alcance, o que abre a perspectiva de simulações de cérebros inteiros, incluindo versões orientadas a estudar Alzheimer, epilepsia e outras condições neurológicas em detalhe sem precedentes.
Ao substituir parte dos experimentos que exigiam tecido real, o avanço também atende a demandas éticas e regulatórias, além de acelerar ciclos de pesquisa. Em síntese, a união de dados biológicos de alta qualidade, modelos mecanísticos e supercomputação representa uma virada de chave para a neurociência. A simulação cerebral, antes um sonho distante, agora se torna uma ferramenta concreta para encurtar o caminho entre descoberta básica e aplicação clínica.