Hogyan születnek a gondolatok az emberi agyban? A folyamat, ami az idegsejtek üzenetközvetítő folyamatai során valósul meg, az agykutatók által alaposan feltérképezett területe az agyműködésének, de a sokszor villámgyorsan lezajló reakciók konkrét "lefényképezése" és alaposabb tanulmányozása nehéz feladat elé állítja a kutatókat. A vizsgálatokat azonban a legnagyobb teljesítményű szuperszámítógépek rendkívüli módon felgyorsíthatják, olyan bepillantást nyújtva az agy rejtelmeibe, amire eddig nem volt lehetőség.

Hogyan zajlik az üzenetközvetítés?

Az agy idegsejtjei sejtmagból és sejttestből állnak, ezekből ágaznak ki azok a nyúlványok, amelyek az üzenetek közvetítésében játszanak szerepet: a rövidebb dendritek és a hosszabb axonok. A dendritek felelnek a sejt felé történő információátvitelért, míg az axonok feladata a sejtből kiinduló és a szomszédos sejt felé irányuló üzenetküldés. A üzenet átadása kétféleképpen mehet végbe, elektromos jelek és kémiai jelek útján, a kémiai jeleket pedig a neuronok közötti szinapszisokon keresztül juttatják át a sejtek egymás között. A szinapszisok lehetnek kisebbek, ezeken át valósul meg az elektromos jelküldés, a kémiai szinapszisok valamivel nagyobbak, ezek esetében a szinaptikus rés akár 20-40 nanométer kiterjedésű is lehet.

Ahhoz, hogy ezt a távolságot át tudják hidalni a neurotranszmitterek, vagyis azok az anyagok, amelyek a másik sejt dendritjeihez vagy axonjaihoz eljutva az ingerületet közvetítik, szállítóeszközökre van szükség, ezt a szerepet a vezikulák, apró hólyagok töltik be. A vezikulákban tárolt anyagok csak akkor haladhatnak tovább útjukon, ha a hólyagszerű üregekből kikerülve bekerülnek a szinaptikus résbe, de előbb a vezikuláknak át kell törniük a sejteket határoló membránon. A hólyagok vándorlásának folyamatát az akciós potenciál indítja be, ami akkor alakul ki, ha az idegsejtek membránján található ioncsatornákon megfelelő mennyiségű kalciumion áramlik át és felbomlik a nyugalmi, egyensúlyi helyzet, vagyis eléri a kritikus szintet a membrán két oldala között az ionok mennyisége és a töltéskülönbség.

A neurotranszmittereket fuvarozó vezikulák ilyenkor tehát elindulnak vándorútjukra és megérkeznek a preszinaptikus membránhoz, hogy leadják a szállítmányukat, amelyek aztán a posztszinaptikus membránhoz haladnak tovább. A folyamat azonban villámgyorsan megy végbe, feltehetően azért, mert a vezikulák előre felkészülnek az ingerületátvivő anyagok leadására kalciumionok beérkezésének idejére.

Színre lép a Frontera

Ahhoz, hogy ezt az állapotot, valamint a másodperc milliomodnyi része alatt bekövetkező folyamatot, amelynek során a hólyagcskák összeolvadnak a membránnal, jobban megértsék a kutatók, az egyik legerőteljesebb segítőtárshoz fordultak megoldásért: a Frontera szuperszámítógéphez, ami ugyan a mikrométernyi nagyságú és pillanatnyi reakciókba nem tud betekintést nyújtani, de a komplex folyamatok szimulálását mindennél hatékonyabban végzi. A Délnyugati Texas Egyetem (UT Southwestern) professzora, Jose Rizo-Rey a gépen azokat a molekuláris dinamikai rendszereket modellezte, amelyek a neurotranszmitterek kiszabadulását és átvitelét, vagyis, bizonyos értelemben, a gondolatok születését, előzik meg, ehhez 1,7 millió és 5,9 millió atomot tartalmazó rendszerek működését szimulálták és vizsgálták. A kísérletek során a kutatók dolgát nehezítette, hogy a vezikulák előkészített állapota, azaz a kiindulási konfiguráció ismeretlen volt számukra, de éppen ebben volt segítségükre a szuperszámítógép, ami számtalan verziót meg tudott jeleníteni, mindezt pedig sokkal gyorsabban, mintha hagyományos számítógépekkel végezték volna el a feladatot. Rizo-Rey elmondása szerint így néhány hónap alatt kivitelezték a feladatot, ami egyébként tíz évbe telt volna.

A DELL EMC által épített Frontera 2019-es megjelenésekor a TOP500-as listán még az ötödik helyet foglalta el, és, bár azóta a 16. helyre csúszott vissza, amerikai viszonylatban így is az egyik legjobb gépnek számít a maga 38,75 PFlop/s-os csúcsteljesítményével és 8368 node-jával. A számítógépet gyakran alkalmazzák tudományos kutatások elősegítésére, csak a Covid-19-cel kapcsolatos vizsgálatokra 10 millió órát szántak a gép használati idejéből (ezt természetesen nem egy, hanem sok-sok node összesített idejét jelenti). A vezikulák kutatására a tudósok 16 node-ot foglalhattak le, de a jövőben szeretnénk bővíteni a vizsgálatok spektrumát, így a maximálisan igényelhető, 5 millió óra felhasználását tervezik. Erre azért lesz szükség, mert a szimulációk egyelőre csak az első mikroszekundumok történéseit fedték le, így a további lépések és a transzmisszió megértése további vizsgálatot igényel. Azt azonban már most is sikerült kideríteni, hogy az úgynevezett trans-SNARE komplexumok meghatározó szerepet játszanak a membránok összehúzásában és előkészítik a kalciumionok áramlásának hatására a gyors membránfúzióhoz szükséges állapotot.

A kutatások nem csak az emberi agy működésének és a gondolatok generálásának megértését segíthetik elő, hanem a rendellenes állapotok, például az Alzheimer-kór elleni küzdelemben is hasznosak lehetnek, mivel az egészséges folyamatok pontos meghatározása a normálistól eltérő módon zajló reakciók feltérképezését is lehetővé teszi. A Texasi Egyetem professzorának is ez az egyik célja a kutatásokkal, amelyeket a szuperszámítógéppel folytatnak majd, bár a Frontera idejét már sok más kutatás számára is lefoglalták: áprilisi hírek szerint legalább 45 intézmény 58 kísérletéhez fogják alkalmazni a gépet a nagyobb kísérletek során, amelyek a gép 2022-es/2023-as munkaidejének 83%-át teszik majd ki.

(Fotó: Texas Advanced Computing Center, Wikimedia Commons/scientificanimations)

Az emberi agy komplexitásával vetekszik az új kínai szuperszámítógép mesterséges intelligenciája a készítői szerint A Sunway a hírek szerint akár másodpercenként 4,4 trillió számítást is képes elvégezni, ami több mint a négyszerese a hivatalosan a világ leggyorsabb szuperszámítógépeként számon tartott, alig néhány hete bejelentett Frontier teljesítményének.