Создание компьютерной системы моделирования и визуализации многоклеточного организма C. elegans как актуальная междисциплинарная проблема на стыке нейробиологии, биофизики и информационных технологий

Проблема создания сложной многоуровневой компьютерной модели живого организма, включающей его нервную систему, рассматривается как новое перспективное направление на стыке нейробиологии, биофизики, кибернетики и компьютерного моделирования. Наиболее вероятным претендентом на роль первого «виртуального организма» считается детально изученное беспозвоночное, нематода C. elegans, нервная система которой представлена всего 302 нейронами. Задача создания виртуального организма именно на его основе представляется необходимым шагом на пути к более сложным нервным системам. В докладе рассматриваются вопросы, связанные с трехмерным компьютерным моделированием биомеханики движения C. elegans в различных средах, а также с моделированием активности его нервной, сенсорной и мышечной систем. Представлены полученные нами результаты как в области разработки специализированного программного обеспечения для осуществления симуляции тела виртуального организма (снабженного мышечной системой и способного регистрировать механосенсорные сигналы) и его движения в трехмерной среде с действующими физическими законами, так и в области моделирования нейронной активности с учетом электрофизиологических особенностей C. elegans. В симуляторе поддерживаются расчеты динамики несжимаемой жидкости, эластичных объектов, мышечных волокон и водонепроницаемых пленок, на основе которых конструируется как сам организм, так и его окружение. Для повышения производительности используются параллельные вычисления на GPU с использованием OpenCL. Начиная с 2011 г. работа в рамках данного направления исследований ведётся в сотрудничестве с некоммерческим международным проектом OpenWorm (www.openworm.org), целью которого является биологически достоверное моделирование систем C. elegans и создание на его основе первого в мире виртуального организма.