OpenWorm on kansainvälinen projekti, jonka tarkoituksena on luoda tietokonemalli ( in silico ) solutasolle yhdelle modernin biologian parhaiten tutkituista [1] mikro -organismeista - matosta Caenorhabditis elegans [2] [3] [4] .
Projektin päämääränä on täydellinen malli, joka sisältää kaikki C. elegans -solut (hieman alle tuhat). Ensimmäisessä vaiheessa simuloidaan madon liikettä, jolloin simuloidaan 302 hermosolun ja 95 lihassolun työtä. Vuodelle 2014 luotiin malleja hermosoluista ja lihassoluista. Kolmiulotteinen interaktiivinen madon anatominen atlas on saatavilla projektin verkkosivuilla. OpenWorm-projektin osallistujat kehittävät myös geppetto-alustaa kokonaisten organismien mallintamiseen [5] .
Vuonna 2015 projektikoordinaattori S. Larson totesi, että asetetut tavoitteet saavutettiin 20-30 % [1] .
Modernin genetiikan pyörömato C. elegans on klassisten luonnontieteiden Drosophila-kärpäsen analogi; sillä on yksi yksinkertaisimmista hermostojärjestelmistä, joka koostuu vain 302 neuronista [1] . Lisäksi on tutkittu niiden välisten yhteyksien rakennetta ( connectome ). Madon kehossa on vajaat tuhat solua, jotka kaikki on tunnistettu ja kuvattu tieteellisessä kirjallisuudessa, koska C. elegans on suosittu malliorganismi . Myös madon genomi on luettu kokonaan, monia mutaatioita, matojen käyttäytymistä on kuvattu jne. Näin pienellä neuronimäärällä kaksifotonimikroskoopilla voidaan kuvata koko hermosolujen aktiivisuutta. elävä organismi. Optogeneettisten teknologioiden avulla on mahdollista kuvata täydellisesti kehon neurodynamiikkaa.
Täydellisen elävän olennon in silico -mallin luomisen yhteydessä luodaan uusia työkaluja ja menetelmiä, jotka yksinkertaistavat monimutkaisempien organismien mallintamista.
Nemaload-projekti [6] on tutkimusohjelma täysimittaiseen alhaalta ylös -simulaatioon tarvittavien biologisten tosiasioiden empiiriseen etsimiseen. Nemaloadin perustaja David Dalrymple on OpenWorm-projektin avustaja.
Huolimatta projektin ilmoitetusta lopullisesta tavoitteesta simuloida koko C. elegansin kehoa ja sen käyttäytymismalleja, Open Worm -projektissa aiotaan aluksi saavuttaa vain yksinkertaisimpien motoristen vasteiden simulaatioita. Tätä varten virtuaalimato on sijoitettava virtuaaliseen ympäristöön. Vaaditaan täyden palautteen saavuttaminen ketjussa: Ympäristöärsyke - sensorinen transduktio - välihermosolujen laukeaminen - motoristen hermosolujen laukeaminen - lihassolujen supistuminen - ympäristön muutos - sensorinen transduktio ja niin edelleen ...
Kaksi suurinta teknistä ongelmaa ovat hermoston hermoston ja sähköisten ominaisuuksien mallintaminen tiedonkäsittelyn aikana ja sitten madon kehon mekaanisten ominaisuuksien mallintaminen liikkeen aikana. Neuronien ominaisuudet mallinnetaan Hodgkin Huxley -yhtälöillä ja mekaaniset ominaisuudet Smoothed Particle Hydrodynamic -algoritmilla.
OpenWorm-tiimi loi Geppetto-ohjelman, joka integroi nämä algoritmit ja pystyy modulaarisuuden ansiosta simuloimaan muita biologisia järjestelmiä (esimerkiksi ruoansulatusta).
Tiimi loi myös NeuroConstruct-ympäristön, joka kuvaa neuronien rakenteita NeuroML-muodossa. Täydellinen C. elegansin konnektori rekonstruoitiin käyttämällä NeuroConstructia .
Myös lihassolun malli luotiin NeuroML-muodossa. Mallit sisältävät kuitenkin tällä hetkellä vain yksinkertaisimmat reaktiot, eivät sähköisiä tai mekaanisia ominaisuuksia.
Projektin seuraavassa vaiheessa osallistujat yhdistävät lihassolun kuuteen neuroniin ja tutkivat niiden vuorovaikutusta.
Jatkossa prosessi toistetaan jäljellä oleville lihassoluille.