Τεχνικές παραλληλοποίησης και βελτιστοποίησης εξομοιωτή βιολογικών νευρικών δικτύων

Abstract

Η νευροεπιστήμη είναι το επιστημονικό πεδίο που ασχολείται με τη λειτουργία του νευρικού συστήματος. Η πρόοδος στη νευροεπιστήμη έχει ωφελήσει τους περισσότερους τομείς της Ιατρικής και έχει βρει εφαρμογές σε νευροενεργά φάρμακα, βηματοδότες καρδιάς και διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής. Μια σημαντική προσθήκη στην πειραματική μέθοδο για τη νευρολογική έρευνα είναι οι προσομοιώσεις σε υπολογιστή, καθώς προσφέρουν μεγάλη οικονομία σε χρήμα και χρόνο, αυξημένη αποδοτικότητα στα πειράματα και διερευνησιμότητα συνθηκών που δε μπορούν να μελετηθούν πειραματικά.

Η αιχμή της έρευνας στην νευροεπιστήμη είναι η μελέτη της συμπεριφοράς πολύ μεγάλων νευρικών δικτύων. Το όριο στο μέγεθος δικτύου που μπορεί να προσομοιωθεί διαμορφώνεται από την κλίμακα του υπολογιστικού συστήματος που χρησιμοποιείται. Η ανάπτυξη λογισμικού σε συστήματα μεγάλης κλίμακας, όμως, περιλαμβάνει τεχνικά ζητήματα παραλληλοποίησης των υπολογισμών και φορητότητας του λογισμικού. Προκύπτει λοιπόν η ανάγκη για έναν προσομοιωτή νευρικών δικτύων που θα διαχειρίζεται αυτόματα και αποδοτικά τους διαθέσιμους πόρους, θα μπορεί να μεταφερθεί άμεσα σε ποικίλες υπολογιστικές υποδομές, και θα επιτρέπει εύκολο χειρισμό, διαλειτουργικότητα και διερεύνηση νέων υπολογιστικών μοντέλων ώστε να ενδυναμώσει τη νευρολογική έρευνα.

Προς αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα εργασία αφορά την ανάπτυξη ενός νέου προσομοιωτή μεγάλων νευρικών δικτύων, που δέχεται περιγραφές νευρικών μοντέλων στη βιολογική μορφή που είναι οικεία στους νευροεπιστήμονες, επιτρέπει τη σύνθεση νευρικών μοντέλων που περιλαμβάνουν νέα φαινόμενα και φυσιολογικές διαδικασίες, και μεταφέρεται σε νέες υπολογιστικές υποδομές εκμεταλλευόμενο αποδοτικά τους υπάρχοντες πόρους, όλα χωρίς ειδική παραμετροποίηση από μηχανικό υπολογιστών. Ο προσομοιωτής έχει επίσης σχεδιαστεί ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνεργασία με υπάρχοντα λογισμικά της ερευνητικής διαδικασίας. Για επιβεβαίωση των χαρακτηριστικών του προσομοιωτή, εκτελέστηκε σε υποδομή υπολογιστικού νέφους πλήθος προσομοιώσεων που εξετάζουν την υπολογιστική επίδοση για ένα εύρος πολυπλοκότητας νευρικών διασυνδέσεων, πολυπλοκότητας νευρικής δομής και διαθέσιμων επεξεργαστικών μονάδων. Επίσης σχεδιάστηκε λογισμικό διεπαφής για σύνδεση του προσομοιωτή της εργασίας με τη γενική πλατφόρμα νευρικών προσομοιώσεων BrainFrame.