OpenWorm

OpenWorm es un proyecto internacional de ciencia abierta cuyo objetivo es simular el nematodo Caenorhabditis elegans a nivel celular . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Si bien la meta a largo plazo es modelar las 959 células de C. elegans , la primera etapa consiste en modelar la locomoción del gusano simulando las 302 neuronas y las 95 células musculares . Esta simulación ascendente está siendo desarrollada por la comunidad de OpenWorm.

Desde 2014, se ha desarrollado un motor de física llamado Sibernetic para el proyecto y se han creado modelos del conectoma neuronal y de una célula muscular en formato NeuroML . Se puede acceder a un modelo 3D de la anatomía del gusano a través de la web mediante el navegador OpenWorm. El proyecto OpenWorm también contribuye al desarrollo de Geppetto , ^{[ 4 ]} una plataforma de simulación multialgoritmo y multiescala basada en la web, diseñada para soportar la simulación de todo el organismo . ^{[ 5 ]}

El nematodo Caenorhabditis elegans es un nematodo transparente de vida libre , de aproximadamente 1  mm de longitud, ^{[ 6 ]} que habita en suelos de clima templado. Es la especie tipo de su género y sirve como organismo modelo en una amplia gama de campos. ^{[ 7 ]}

C. elegans posee uno de los sistemas nerviosos más simples de cualquier organismo: su tipo hermafrodita cuenta con tan solo 302 neuronas. Además, el conectoma estructural de estas neuronas está completamente mapeado. Un gusano C. elegans tiene menos de mil células en todo su cuerpo , y dado que C. elegans es un organismo modelo , cada célula posee un identificador único y una amplia bibliografía de apoyo. Al ser un organismo modelo, su genoma es completamente conocido, junto con numerosos mutantes bien caracterizados fácilmente disponibles, y una extensa bibliografía sobre estudios de comportamiento. Con tan pocas neuronas y las nuevas técnicas de microscopía de calcio de dos fotones , pronto debería ser posible registrar la actividad neuronal completa de un organismo vivo. La manipulación de neuronas mediante métodos optogenéticos , junto con las capacidades técnicas mencionadas, ha proporcionado al proyecto una posición sin precedentes: ahora es posible caracterizar completamente la dinámica neuronal de un organismo entero. ^{[ 8 ]}

Los esfuerzos por construir un modelo in silico de C. elegans , aunque se trata de un organismo relativamente simple, han impulsado el desarrollo de tecnologías que facilitarán la modelización de organismos progresivamente más complejos.

Si bien el objetivo final es simular todas las características del comportamiento de C. elegans , la comunidad de OpenWorm inicialmente se propuso simular una respuesta motora simple: enseñar al gusano a gatear. Para ello, el gusano virtual se coloca en un entorno virtual. Posteriormente, se establece un ciclo de retroalimentación completo: Estímulo ambiental > Transducción sensorial > Activación de interneuronas > Activación de motoneuronas > Respuesta motora > Cambio ambiental > Transducción sensorial.

Aquí se presentan dos desafíos técnicos principales: modelar las propiedades neuronales/eléctricas del cerebro durante el procesamiento de la información y modelar las propiedades mecánicas del cuerpo durante el movimiento. Las propiedades neuronales se modelan mediante un modelo de Hodgkin-Huxley , y las propiedades mecánicas mediante un algoritmo de hidrodinámica de partículas suavizadas .

El equipo de OpenWorm creó un motor llamado Geppetto que puede integrar estos algoritmos y, debido a su modularidad, podrá modelar otros sistemas biológicos (como la digestión ), algo que el equipo abordará más adelante.

El equipo también creó un entorno llamado NeuroConstruct, capaz de generar estructuras neuronales en NeuroML . Utilizando NeuroConstruct, el equipo reconstruyó el conectoma completo de C. elegans .

Utilizando NeuroML, el equipo también ha creado un modelo de célula muscular. Cabe destacar que, por el momento, estos modelos solo representan las propiedades relevantes para la respuesta motora simple: las propiedades neuronales/eléctricas y mecánicas mencionadas anteriormente.

El siguiente paso consiste en conectar esta célula muscular a las seis neuronas que hacen sinapsis con ella y aproximar su efecto.

El plan general consiste entonces en ambas cosas:

• Aproximar las sinapsis que se conectan con esas neuronas.
• Repita el proceso para las demás células musculares.

En 1998, investigadores japoneses anunciaron el Proyecto C. elegans Perfecto. Se presentó una propuesta, pero el proyecto parece haber sido abandonado. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

En 2004, un grupo de Hiroshima inició el Proyecto Virtual C. elegans. Publicaron dos artículos que mostraban cómo su simulación se retraería ante estímulos virtuales. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

En 2005, un investigador de Texas describió un simulador simplificado de C. elegans basado en una red de un solo cable que incorporaba un procesador digital Parallax Basic Stamp, entradas sensoriales y salidas motoras. Las entradas empleaban convertidores A/D de 16 bits conectados a neuronas simuladas con amplificadores operacionales y un sensor de temperatura de un solo cable. Las salidas motoras se controlaban mediante potenciómetros digitales de 256 posiciones y puertos digitales de 8 bits. La acción muscular artificial se basaba en actuadores de nitinol. Utilizaba un bucle operativo de "detección-procesamiento-reacción" que recreaba varios comportamientos instintivos. ^{[ 14 ]}

Estos primeros intentos de simulación han sido criticados por su falta de realismo biológico. Si bien disponemos del conectoma estructural completo, desconocemos los pesos sinápticos de cada una de las sinapsis conocidas. Ni siquiera sabemos si las sinapsis son inhibitorias o excitatorias . Para compensar esta limitación, el grupo de Hiroshima utilizó aprendizaje automático para determinar los pesos sinápticos que generarían el comportamiento deseado. Por lo tanto, no sorprende que el modelo mostrara dicho comportamiento, y es posible que no represente una comprensión precisa del sistema.

La comunidad OpenWorm está comprometida con los ideales de la ciencia abierta . ^{[ 15 ]} En general, esto significa que el equipo intentará publicar en revistas de acceso abierto e incluir todos los datos recopilados (para evitar el problema del archivo ). De hecho, todos los datos biológicos que el equipo ha recopilado están disponibles públicamente.

Para mediados de 2024, veinte publicaciones realizadas por el grupo están disponibles gratuitamente en su sitio web. ^{[ 16 ]} Todo el software que ha producido OpenWorm es completamente gratuito y de código abierto. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

OpenWorm también está probando un modelo de colaboración científica radicalmente abierto. El equipo está formado por cualquiera que desee formar parte de él. Hay más de cien "miembros" inscritos en la lista de correo técnico de alto volumen. Entre los miembros más activos, cuyos nombres aparecen en alguna publicación, hay colaboradores de Rusia, Brasil, Inglaterra, Escocia, Irlanda y Estados Unidos.

Para coordinar este esfuerzo internacional, el equipo utiliza "reuniones de laboratorio virtuales" y otras herramientas en línea que se detallan en la sección de recursos. ^{[ 19 ]}

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