Las personas a menudo piensan en el comportamiento humano en términos de lo que está sucediendo en el presente: leer un periódico, conducir un automóvil o ver una pelota de fútbol. Pero otras dimensiones del comportamiento se extienden a lo largo de semanas, meses y años.
Los ejemplos incluyen un niño que aprende a leer; un atleta que se recupera de una conmoción cerebral; o una persona que cumple 50 años y se pregunta a dónde se ha ido todo el tiempo. Estos no son cambios que la gente percibe en el día a día. Simplementede repente se dan cuenta de que son mayores, están curados o tienen una nueva habilidad de desarrollo.
"El campo de la neurociencia observa el cerebro de múltiples maneras", dice Franco Pestilli, neurocientífico de la Universidad de Texas en Austin UT Austin. "Por ejemplo, estamos interesados en cómo las neuronas computan y nos permitenreaccione rápidamente: es una respuesta rápida que requiere atención visual y control motor. Comprender el cerebro necesita grandes datos para capturar todas las dimensiones del comportamiento humano ".
Como experto en ciencia de la visión, neuroinformática, imágenes cerebrales, neurociencia computacional y ciencia de datos, la investigación de Pestilli ha avanzado la comprensión de la cognición humana y las redes cerebrales durante los últimos 15 años.
A Pestilli le gusta comparar el cerebro con Internet, un poderoso conjunto de computadoras conectadas por cables que simultáneamente mantienen muchas ventanas abiertas y programas en ejecución. Si la computadora está en buen estado pero los cables no, la comunicación de largo alcance entre computadoras en diferentes partes delcerebro comienza a fallar. Esto a su vez crea problemas para nuestro comportamiento a largo plazo.
Pestilli y su equipo también están interesados en cómo cambian los cálculos biológicos durante períodos de tiempo más largos, por ejemplo, ¿cómo cambia nuestro cerebro cuando perdemos la visión?
"Hemos demostrado que si cambia la entrada en el ojo, puede cambiar la materia blanca del cerebro, que es equivalente al sistema de cableado del cerebro; al igual que las computadoras están conectadas con cables, nuestro cerebro tiene millones de cables conectadosmillones de pequeñas computadoras llamadas neuronas ".
Esta investigación fue publicada en Nature Informes científicos en marzo de 2021.
Brainlife.io: la plataforma que los científicos necesitan para hacer la ciencia que quieren
Las nuevas tecnologías en la nube se están volviendo necesarias para ayudar a los investigadores a colaborar, procesar, visualizar y administrar grandes cantidades de datos a escalas sin precedentes.
Un aspecto clave del trabajo de Pestilli comenzó en 2017 cuando recibió una subvención de la Iniciativa BRAIN a través de la National Science Foundation NSF para lanzar Brainlife.io. En ese momento, era profesor asociado de Psicología y Ciencias del Cerebro en Indiana.Universidad.
La plataforma informática Brainlife.io proporciona un conjunto completo de servicios web para respaldar la investigación reproducible en la nube. Hasta ahora, más de 1,600 científicos de todo el mundo han accedido a la plataforma. BrainLife.io les permite cargar, administrar, rastrear,analizar, compartir y visualizar los resultados de sus datos.
Actualmente, la plataforma sirve a diferentes comunidades de científicos, desde la psicología hasta la ciencia médica y la neurociencia, e incluye más de 600 herramientas de procesamiento de datos. Brainlife.io integra diferentes conocimientos y mecanismos de desarrollo para crear código y publicarlo en la nube, mientras se rastreacada detalle que ocurre con los datos.
"Hemos procesado más de 300.000 conjuntos de datos hasta ahora, y estamos atendiendo a muchos usuarios nuevos ya que la cantidad de científicos que acceden a nuestra plataforma se ha disparado durante la pandemia", dijo Pestilli. "Mucha gente nueva llegó a Brainlife.io porque perdieron el acceso a sus instalaciones físicas ".
La plataforma se basa en una infraestructura de supercomputación para ejecutar simulaciones en hardware de computación de alto rendimiento HPC ". Los sistemas nacionales como Jetstream Indiana University / TACC, Stampede2 TACC y Bridges-2 Pittsburgh Supercomputing Center son fundamentales para lo queNosotros lo hacemos. Hemos recibido mucho apoyo del Entorno de Descubrimiento de Ingeniería y Ciencia Extrema XSEDE financiado por NSF. "
BrainLife.io también se financia a través de premios colaborativos de los Institutos Nacionales de Salud NIH y el Departamento de Defensa.
Aina Puce es profesora de Psicología y Ciencias del Cerebro en la Universidad de Indiana. Se autoproclama neófita con respecto a Brainlife.io, pero es una experta mundial en neuroimagen y la investigadora principal de una subvención de los NIH que apoya a ladesarrollo de la gestión y análisis de datos neurofisiológicos en la plataforma.
"Salté al fondo para ayudar a Franco y su equipo a expandir la funcionalidad de la plataforma a datos neurofisiológicos", dijo Puce.
"Brainlife.io nos permite comenzar a realizar análisis de vanguardia, integrando datos neurofisiológicos y datos basados en resonancias magnéticas. Los estudios incluyen investigaciones que vinculan explícitamente la estructura del cerebro con la función cerebral, por ejemplo, cómo se transporta la información de una región a otra, ycómo cambian el flujo sanguíneo y la actividad eléctrica del cerebro al realizar determinadas tareas ".
Pronto, un conjunto de nuevas herramientas estará disponible en Brainlife.io para que los usuarios integren datos de EEG electroencefalografía, MEG magnetoencefalografía y MRI imágenes de resonancia magnética, que es "único y será tremendamente útil para ambosciencia y sociedad ", dijo.
Puce y su equipo están explorando la actividad cerebral registrando la producción eléctrica, tanto de forma no invasiva del cuero cabelludo como de forma invasiva desde el interior de la cabeza. También están detectando campos magnéticos producidos mientras una persona está en reposo y mientras realiza tareascomo leer mensajes sociales de otros.
"Esto es lo que traemos a Brainlife.io por primera vez", dijo Puce.
Descubrimiento de unidades de datos
El campo de la neurociencia se está moviendo de pequeños conjuntos de datos a grandes conjuntos de datos. Los conjuntos de datos más grandes significan que los científicos pueden extraer conocimientos estadísticamente más poderosos de la información que recopilan.
De 1,000 sujetos a 10,000 sujetos a 500,000 sujetos, los conjuntos de datos siguen creciendo.
Por ejemplo, el Estudio de desarrollo cognitivo del cerebro de los adolescentes es uno de los estudios a largo plazo más grandes sobre el desarrollo del cerebro y la salud infantil en los Estados Unidos. El estudio recopila datos de más de 10.000 cerebros de adolescentes para comprender el desarrollo biológico y conductual desde la adolescenciaEn otra parte del mundo, el Biobanco del Reino Unido contiene información de salud detallada de más de 500.000 participantes que donaron sus datos genéticos y clínicos por el bien de la ciencia; 100.000 de estos participantes donaron escáneres cerebrales.
"A medida que aumenta la escala de cada nuevo proyecto", dijo Pestilli, "el tamaño del conjunto de datos también aumenta y, como resultado, las necesidades de almacenamiento y computación cambian. Estamos creando conjuntos de datos de un tamaño y un impacto que sololas supercomputadoras pueden hacer frente de manera eficaz. Con la reciente llegada del aprendizaje automático y los métodos de inteligencia artificial, y su potencial para ayudar a los humanos a comprender el cerebro, debemos cambiar nuestro paradigma para la gestión, el análisis y el almacenamiento de datos ".
Pestilli dice que la investigación en neurociencia no puede sobrevivir a menos que se construya un ecosistema cohesivo que integre las necesidades de los científicos con las necesidades de hardware y software dada la enorme cantidad de datos y las preguntas de la próxima generación que se explorarán.
Dice que muchas de las herramientas desarrolladas hasta ahora no se integran fácilmente en un flujo de trabajo típico o no están listas para usar.
"Para tener un impacto en la neurociencia y conectar la disciplina con las tecnologías más avanzadas, como el aprendizaje automático y la inteligencia artificial, la comunidad necesita una infraestructura cohesiva para la computación en la nube y la ciencia de datos para traer todas estas tremendas herramientas, bibliotecas y datosarchivos y estándares más cercanos a los investigadores que trabajan por el bien de la sociedad ", dijo.
Afortunadamente, Pestilli encontró un colaborador de ideas afines que comparte esta visión en Dan Stanzione, el director ejecutivo del Centro de Computación Avanzada de Texas TACC y un líder reconocido a nivel nacional en HPC.
Juntos, planean crear una infraestructura nacional que proporcione un registro de datos permanentes y registros de análisis. Los investigadores podrán encontrar datos y ver de manera más transparente la raíz de cómo se realizó el análisis. La infraestructura facilitará lo que la NSFrequiere en las propuestas de datos, y lo que quieren los investigadores, que es el impacto científico y la reproducibilidad.
Además, esto significa que el acceso a datos, métodos de análisis y recursos computacionales avanzará hacia un modelo más equitativo, brindando oportunidades para muchos más estudiantes, educadores e investigadores que nunca.
"Esta perspectiva me entusiasmó mucho de unirme a la Universidad de Texas en Austin", dijo Pestilli. Se mudó a Austin en agosto de 2020, justo en medio de la pandemia de COVID-19. Estar en UT Austin significa colaborar con TACC- razón clave por la que aceptó una cátedra en el Departamento de Psicología.
"Estoy seguro de que podemos lograrlo; esta visión es una parte crucial de mis esfuerzos aquí".
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