GENESIS (программное обеспечение)

GENESIS функционирует как среда моделирования для построения моделей нейронов или нейронных систем. Нервные клетки способны взаимодействовать друг с другом в строго организованной форме, образуя нейронные сети. Для понимания работы нейронных сетей необходимо изучить, как один нейрон взаимодействует с другим посредством синаптических связей и передачи информации — синаптической передачи^[3]. Нейроны обладают специализированной структурой, которая соответствует их функциям: они поляризованы и имеют морфологически различные участки с определёнными задачами^[3]. Две основные области нейрона — дендрит и аксон. Дендриты — это область, куда поступают связи от других нейронов. Тело клетки (сома) содержит ядро и органеллы, необходимые для функционирования клетки. Аксон — часть, по которой информация передаётся от сомы к концевым частям нейрона^[3]. Третья важная составляющая — синапс, то есть терминальная область аксона, где один нейрон образует связь с другим и передаёт информацию посредством синаптической передачи^[3]

Нейронные сети, моделируемые с помощью GENESIS, могут становиться очень сложными. Даже несколько связанных нейронов (микросхема) способны обеспечивать сложные функции: рефлексы, обработку сенсорной информации, генерацию движений, обучение и память. Более сложные сети (макросхемы) состоят из множества вложенных микросхем и обеспечивают высшие функции мозга, такие как распознавание объектов и когнитивные процессы.^[3] GENESIS стремится моделировать нейронные системы так, как они устроены в природе: один нейрон может получать до 10 000 входящих сигналов и сам формировать до 10 000 связей с другими клетками, что порождает чрезвычайно сложные топологии нейронных сетей.^[3]

GENESIS была разработана д-ром Джеймсом М. Бауэром в лаборатории Калифорнийского технологического института. Первый публичный выпуск состоялся в 1988 году и был приурочен к первому курсу по вычислительной нейронауке в Биологической морской лаборатории в Вудс-Холе, штат Массачусетс. В том же году исходный код GENESIS был открыт по модели свободного ПО. В настоящее время проект поддерживает Инициатива вычислительной биологии Университета Техаса в Сан-Антонио; дистрибутив, а также обучающие материалы доступны бесплатно.

P-GENESIS — параллельная версия GENESIS — впервые была запущена в 1990 году на суперкомпьютере Intel Delta, который стал прототипом семейства Intel Paragon массово-параллельных суперкомпьютеров.^[4].

GENESIS служит для создания среды моделирования нейробиологических систем, таких как:

• субклеточные процессы
• отдельные нейроны
• сети нейронов
• нейронные системы

Несмотря на сложность системы, GENESIS относительно проста в освоении.

Интерфейс GENESIS

Ввод команд в систему возможен тремя основными способами: через сценарные файлы, графический интерфейс пользователя или командную оболочку GENESIS. Эти команды обрабатываются интерпретатором скриптового языка: он принимает команды с клавиатуры, из сценарных файлов или из графического интерфейса и передаёт их симулятору. Симулятор, в свою очередь, загружает библиотеки объектов, читает и записывает файлы данных, а также взаимодействует с графическим интерфейсом^[5]. Ниже приведены графическая схема процесса обработки пользовательского ввода и пример выходных данных GENESIS.

Схема работы GENESIS и графический вывод

Сегодня GENESIS применяется в основном для реалистического моделирования биологических систем, например, для исследования работы коры головного мозга. Такие исследования чаще всего проводятся в рамках лабораторных курсов по нейросимуляции в Калифорнийском технологическом институте и Биологической морской лаборатории в Вудс-Холе, Массачусетс.

GENESIS может использоваться совместно с программным обеспечением NEURON, разработанным в Йельском университете, что позволяет совместными усилиями учёных конструировать физические описания нервной системы. Кроме того, GENESIS интегрируется с Kinetikit для моделирования сигнальных путей передачи^[6].

GENESIS широко используется в научных исследованиях^[7]. Среди них — работы по созданию программных инструментов для разных дисциплин, а также исследования строения и работы нейронов, такие как моделирование клеток Пуркинье, что позволяет планировать и анализировать дальнейшие эксперименты.

Есть и биомедицинские применения: например, европейское подразделение St. Jude Medical разработало имплантируемое устройство GENESIS.

• The Book of GENESIS: Exploring Realistic Neural Models with the GEneral NEural SImulation System. Springer, 1998. ISBN 978-0-387-94938-3