Примеры включают в себя обучение ребенка чтению; спортсмен, выздоравливающий после сотрясения мозга; или человек, которому исполняется 50 лет, и задающийся вопросом, куда ушло все время. Это не те изменения, которые люди воспринимают изо дня в день. Они просто внезапно осознают, что стали старше, исцелены или у них появился новый навык развития.
«Нейробиология рассматривает мозг по-разному, – говорит Франко Пестилли, нейробиолог из Техасского университета в Остине (штат Юта, Остин). «Например, нас интересует, как нейроны вычисляют и позволяют нам быстро реагировать – это быстрая реакция, требующая визуального внимания и моторного контроля.
Пониманию мозга нужны большие данные, чтобы охватить все измерения человеческого поведения."
Как эксперт в области науки о зрении, нейроинформатики, визуализации мозга, вычислительной нейробиологии и науки о данных, исследования Пестилли продвинули понимание человеческого познания и сетей мозга за последние 15 лет.
Пестилли любит сравнивать мозг с Интернетом, мощным набором компьютеров, соединенных кабелями, одновременно открывающих множество окон и работающих программ. Если компьютер исправен, а кабели – нет, связь на большом расстоянии между компьютерами в разных частях мозга перестает работать.
Это, в свою очередь, создает проблемы для нашего долгосрочного поведения.
Пестилли и его команда также интересуются тем, как биологические вычисления меняются в течение более длительных периодов времени – например, как меняется наш мозг, когда мы теряем зрение?
«Мы показали, что если вы измените входной сигнал в глаз, это может изменить белое вещество мозга, что эквивалентно кабельной системе мозга – точно так же, как компьютеры соединены с помощью кабелей, в нашем мозгу есть миллионы кабелей, соединяющих миллионы крошечные компьютеры, называемые нейронами."
Это исследование было опубликовано в журнале Nature Scientific Reports в марте 2021 года.
Brainlife.io – Ученые платформы должны заниматься той наукой, которую они хотят
Новые облачные технологии становятся необходимыми, чтобы помочь исследователям сотрудничать, обрабатывать, визуализировать и управлять большими объемами данных в беспрецедентных масштабах.
Ключевой аспект работы Пестилли начался в 2017 году, когда он получил грант от BRAIN Initiative через Национальный научный фонд (NSF) на запуск Brainlife.io.
В то время он был доцентом кафедры психологии и мозговых наук в Университете Индианы.
Мозговая жизнь.Вычислительная платформа io предоставляет полный набор веб-сервисов для поддержки воспроизводимых исследований в облаке. На данный момент к платформе подключились более 1600 ученых со всего мира. BrainLife.io позволяет им загружать, управлять, отслеживать, анализировать, делиться и визуализировать результаты своих данных.
В настоящее время платформа обслуживает различные сообщества ученых, от психологии до медицины и нейробиологии, и включает в себя более 600 инструментов обработки данных. Brainlife.io объединяет различные экспертные знания и механизмы разработки для создания кода и его публикации в облаке, отслеживая при этом каждую деталь, которая происходит с данными.
«На данный момент мы обработали более 300 000 наборов данных и обслуживаем множество новых пользователей, поскольку во время пандемии количество ученых, получающих доступ к нашей платформе, резко возросло», – сказал Пестилли. "В Brainlife пришло много новых людей.io, потому что они потеряли доступ к своим физическим объектам."
Платформа опирается на инфраструктуру суперкомпьютеров для моделирования на оборудовании высокопроизводительных вычислений (HPC). «Национальные системы, такие как Jetstream (Университет Индианы / TACC), Stampede2 (TACC) и Bridges-2 (Питтсбургский суперкомпьютерный центр), имеют основополагающее значение для того, что мы делаем. Мы получили большую поддержку Экстремальной науки и инженерии Discovery Environment (XSEDE), финансируемой NSF."
BrainLife.io также финансируется за счет совместных наград Национальных институтов здравоохранения (NIH) и Министерства обороны.
Айна Пьюс – профессор психологии и науки о мозге в Университете Индианы. Она – самопровозглашенный новичок в отношении Brainlife.io, но она является мировым экспертом в области нейровизуализации и главным исследователем гранта NIH, который поддерживает развитие управления нейрофизиологическими данными и анализа на платформе.
«Я сразу же приступил к делу, чтобы помочь Франко и его команде расширить функциональность платформы до нейрофизиологических данных», – сказал Пьюс.
"Brainlife".io позволяет нам приступить к выполнению передовых анализов, объединяя нейрофизиологические данные и данные на основе МРТ. Исследования включают исследования, явно связывающие структуру мозга с функцией мозга, например, как информация передается из региона в регион и как изменяется кровоток и электрическая активность мозга при выполнении определенных задач."
Скоро на Brainlife будет доступен набор новых инструментов.io для пользователей, чтобы интегрировать данные ЭЭГ (электроэнцефалография), МЭГ (магнитоэнцефалография) и МРТ (магнитно-резонансная томография), что «уникально и будет чрезвычайно полезно как для науки, так и для общества», – сказала она.
Пьюс и его команда в настоящее время изучают активность мозга, регистрируя электрическую мощность, как неинвазивно из кожи головы, так и инвазивно изнутри головы.
Они также обнаруживают магнитные поля, создаваемые, когда человек находится в состоянии покоя и когда он выполняет такие задачи, как чтение социальных сообщений от других.
"Это то, что мы привносим в Brainlife.io впервые ", – сказал Пьюс.
Обнаружение дисков данных
Область нейробиологии переходит от небольших наборов данных к большим наборам данных. Большие наборы данных означают, что ученые могут извлекать более статистически значимую информацию из информации, которую они собирают.
С 1000 субъектов до 10000 до 500000 субъектов – наборы данных продолжают расти.
Например, исследование когнитивного развития мозга подростков – одно из крупнейших долгосрочных исследований развития мозга и здоровья детей в Соединенных Штатах. В рамках исследования собираются данные из более чем 10 000 мозгов подростков, чтобы понять биологическое и поведенческое развитие от подросткового до юношеского возраста.
В другой части мира Британский биобанк содержит подробную информацию о здоровье от более чем 500 000 участников, которые пожертвовали свои генетические и клинические данные на благо науки; 100000 из этих участников пожертвовали снимки мозга.
«По мере увеличения масштабов каждого нового проекта, – сказал Пестилли, – размер набора данных также увеличивается, и, как следствие, потребности в хранении и вычислениях меняются.
Мы создаем наборы данных такого размера и воздействия, с которыми могут эффективно справиться только суперкомпьютеры. С недавним появлением методов машинного обучения и искусственного интеллекта и их потенциала, помогающего людям понять мозг, нам необходимо изменить нашу парадигму управления, анализа и хранения данных."
Пестилли говорит, что исследования в области нейробиологии не могут выжить, если не будет построена сплоченная экосистема, которая объединит потребности ученых с потребностями в аппаратном и программном обеспечении, учитывая огромное количество данных и вопросы следующего поколения, которые необходимо изучить.
Он говорит, что многие инструменты, разработанные до сих пор, нелегко интегрировать в типичный рабочий процесс или готовы к использованию.
"Чтобы оказать влияние на нейробиологию и связать дисциплину с самыми передовыми технологиями, такими как машинное обучение и искусственный интеллект, сообществу нужна связная инфраструктура для облачных вычислений и науки о данных, чтобы предоставить все эти потрясающие инструменты, библиотеки, архивы данных, и стандарты ближе к исследователям, которые работают на благо общества », – сказал он.
К счастью, Пестилли нашел единомышленника, который разделяет это видение, в лице Дэна Станционе, исполнительного директора Техасского центра передовых вычислений (TACC) и признанного на национальном уровне лидера в области высокопроизводительных вычислений.
Вместе они планируют создать национальную инфраструктуру, которая обеспечивает реестр постоянных данных и анализирует записи. Исследователи смогут находить данные и более прозрачно видеть корень того, как проводился анализ. Инфраструктура будет способствовать тому, что NSF требует в предложениях данных и что хотят исследователи, а именно научное влияние и воспроизводимость.
Кроме того, это означает, что доступ к данным, методам анализа и вычислительным ресурсам будет двигаться в сторону более справедливой модели, предоставляя возможности для гораздо большего числа студентов, преподавателей и исследователей, чем когда-либо прежде.
«Эта перспектива очень воодушевила меня присоединиться к Техасскому университету в Остине», – сказал Пестилли. Он переехал в Остин в августе 2020 года, прямо в разгар пандемии COVID-19.
Работать в UT Austin означает сотрудничать с TACC – основная причина, по которой он принял должность профессора на факультете психологии.
"Я уверен, что мы сможем это сделать – это видение является важной частью моих усилий здесь."