جينيسيس (برنامج)

جينيسيس ( نظام المحاكاة العصبية العام ) هو بيئة محاكاة لبناء نماذج واقعية للأنظمة العصبية البيولوجية على مستويات متعددة، تشمل: العمليات دون الخلوية، والخلايا العصبية الفردية، وشبكات الخلايا العصبية، والأنظمة العصبية. تُعدّ هذه المحاكاة "تطبيقات حاسوبية لنماذج هدفها الأساسي هو تجسيد ما هو معروف عن البنية التشريحية والخصائص الفيزيولوجية للجهاز العصبي محل الدراسة". ^{[ 4 ]} يهدف جينيسيس إلى تحديد الإطار الفيزيائي للجهاز العصبي كميًا بطريقة تُسهّل فهم البنية الفيزيائية للأعصاب المعنية. "في الوقت الحالي، يُعدّ جينيسيس النظام الوحيد الذي يسمح بالنمذجة المتوازية للخلايا العصبية الفردية والشبكات على الحواسيب المتوازية متعددة التعليمات والبيانات". ^{[ 5 ]} انتشر تطوير برنامج GENESIS من موطنه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى مختبرات في جامعة تكساس في سان أنطونيو ، وجامعة أنتويرب ، والمركز الوطني للعلوم البيولوجية في بنغالور، وجامعة كولورادو ، ومركز بيتسبرغ للحوسبة الفائقة ، ومركز سان دييغو للحوسبة الفائقة ، وجامعة إيموري .

يعمل برنامج جينيسيس من خلال إنشاء بيئات محاكاة لبناء نماذج للخلايا العصبية أو الأنظمة العصبية . " تتمتع الخلايا العصبية بقدرة على التواصل فيما بينها بطريقة منظمة للغاية لتشكيل شبكات عصبية. لفهم الشبكات العصبية، من الضروري فهم كيفية تواصل خلية عصبية مع أخرى عبر الوصلات المشبكية وعملية النقل المشبكي". ^{[ 6 ]} تتميز الخلايا العصبية ببنية متخصصة لوظيفتها، فهي "تختلف عن معظم خلايا الجسم الأخرى في كونها مستقطبة ولها مناطق مورفولوجية متميزة، لكل منها وظائف محددة". ^{[ 6 ]} المنطقتان المهمتان في الخلية العصبية هما التغصنات والمحور . "التغصنات هي المنطقة التي تستقبل فيها الخلية العصبية وصلات من خلايا عصبية أخرى. يحتوي جسم الخلية أو السوما على النواة والعضيات الأخرى الضرورية لوظيفة الخلية. المحور هو مكون أساسي في الخلايا العصبية، حيث تُنقل المعلومات من جزء من الخلية العصبية (مثل جسم الخلية) إلى المناطق الطرفية للخلية العصبية". ^{[ 6 ]} الجزء الثالث المهم في الخلية العصبية هو المشبك العصبي . "المشبك العصبي هو المنطقة الطرفية للمحور العصبي، حيث تتصل خلية عصبية بأخرى وتنقل المعلومات من خلال عملية النقل المشبكي". ^{[ 6 ]}

يمكن للشبكات العصبية، كتلك التي يُحاكيها برنامج GENESIS، أن تُصبح بالغة التعقيد ويصعب فهمها بسرعة. "بضع خلايا عصبية مترابطة (دائرة دقيقة) قادرة على أداء مهام معقدة كالتوسط في ردود الفعل، ومعالجة المعلومات الحسية، وتوليد الحركة، والتوسط في التعلم والذاكرة. أما الشبكات الأكثر تعقيدًا، وهي الدوائر الكبيرة، فتتكون من دوائر دقيقة متعددة مُدمجة. وتتوسط هذه الدوائر الكبيرة في وظائف الدماغ العليا، مثل التعرف على الأشياء والإدراك". ^{[ 6 ]} يسعى برنامج GENESIS إلى محاكاة الأنظمة العصبية كما هي موجودة في الطبيعة. غالبًا، "يمكن للخلية العصبية الواحدة أن تتلقى اتصالات من 10,000 خلية عصبية قبل المشبكية، وبدورها، يمكن لأي خلية عصبية واحدة أن تتصل بما يصل إلى 10,000 خلية عصبية بعد المشبكية. هذه الإمكانية التركيبية قد تُؤدي إلى دوائر عصبية أو بنى شبكية بالغة التعقيد، والتي قد يصعب فهمها للغاية". ^{[ 6 ]}

طُوِّر برنامج جينيسيس (GENESIS) على يد الدكتور جيمس إم. باور في مختبر كالتيك ، وأُطلق للجمهور لأول مرة عام ١٩٨٨ بالتزامن مع أول دورة في مناهج علم الأعصاب الحاسوبي في مختبر الأحياء البحرية في وودز هول ، ماساتشوستس. ونُشرت الشفرة المصدرية الكاملة للبرنامج في العام نفسه وفقًا لنموذج البرمجيات المفتوحة المصدر . ويحظى البرنامج حاليًا بدعم مبادرة علم الأحياء الحاسوبي في جامعة تكساس في سان أنطونيو ، وهو متاح مجانًا مع أدلة تعليمية لاستخدامه. أما برنامج بي-جينيسيس (P-GENESIS)، وهو نسخة متوازية من جينيسيس، فقد شُغِّل لأول مرة عام ١٩٩٠ على جهاز إنتل دلتا، الذي كان النموذج الأولي لعائلة إنتل باراغون من الحواسيب العملاقة المتوازية للغاية. ^{[ ٧ ]}

يُعد برنامج GENESIS مفيدًا في إنشاء بيئة محاكاة لبناء نماذج للأنظمة العصبية البيولوجية، مثل:

• العمليات الخلوية الفرعية
• الخلايا العصبية الفردية
• شبكات الخلايا العصبية
• الأنظمة العصبية

نظام GENESIS معقد، ولكنه سهل الاستخدام نسبياً.

يمكن للمستخدم إدخال الأوامر عبر ثلاث طرق: ملفات البرامج النصية، أو واجهة المستخدم الرسومية، أو واجهة أوامر GENESIS. ثم يقوم مترجم لغة البرامج النصية بمعالجة هذه الأوامر. "يعالج مترجم لغة البرامج النصية الأوامر المُدخلة عبر لوحة المفاتيح، أو ملفات البرامج النصية، أو واجهة المستخدم الرسومية، ثم يُمررها إلى محرك محاكاة GENESIS. كما يقوم محرك المحاكاة بتحميل مكتبات الكائنات المُجمّعة، وقراءة وكتابة ملفات البيانات، والتفاعل مع واجهة المستخدم الرسومية". ^{[ 8 ]} فيما يلي تمثيل بياني لعملية إدخال المستخدم ونموذج لمخرجات GENESIS.

تتضمن معظم التطبيقات الحالية لبرنامج GENESIS محاكاة واقعية للأنظمة البيولوجية. ويُستخدم عادةً لمحاكاة سلوك تراكيب الدماغ الكبيرة، مثل القشرة المخية . وتُجرى هذه الدراسات في أغلب الأحيان ضمن دورات عملية في محاكاة الأعصاب في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) ومختبر الأحياء البحرية في وودز هول، ماساتشوستس.

يمكن استخدام برنامج GENESIS بالتزامن مع برنامج NEURON التابع لجامعة ييل كوسيلةٍ لتمكين العلماء من التعاون في بناء وصفٍ فيزيائي للجهاز العصبي. كما يمكن استخدام برنامج GENESIS مع برنامج Kinetict في نمذجة مسارات نقل الإشارات. ^{[ 9 ]}

استُخدم برنامج GENESIS في العديد من الدراسات. ^{[ 10 ]} تتضمن بعض هذه الدراسات أبحاثًا تركز على تطوير برمجيات يمكن استخدامها في مختلف التخصصات. بينما تتناول دراسات أخرى الخلايا العصبية، مثل خلايا بوركنجي . وقد استخدمت هذه الدراسات برنامج GENESIS لمحاكاة خلايا بوركنجي، ويمكن الاستفادة منها في تخطيط وتطوير تجارب لاحقة باستخدام برنامج GENESIS.

قد يكون للبرنامج تطبيقات طبية حيوية أيضاً. على سبيل المثال، طورت شركة سانت جود ميديكال في أوروبا جهاز جينيسيس المزروع. ^{[ 11 ]}

• برنامج الشبكة العصبية
• الذكاء الاصطناعي
• الشبكة العصبية الاصطناعية
• بيئة تطوير متكاملة
• علم التشكل العصبي النظري
• عصبون

• كتاب التكوين: استكشاف نماذج عصبية واقعية باستخدام نظام المحاكاة العصبية العامة ، سبرينغر، (1998)، رقم ISBN 978-0-387-94938-3

• الموقع الرسمي
• منشورات جينيسيس
• سفر التكوين على موقع سكولاربيديا