OpenWorm er et internationalt projekt for at skabe en computermodel ( in silico ) på cellulært niveau af en af de mest fuldt studerede [1] mikroorganismer i moderne biologi - ormen Caenorhabditis elegans [2] [3] [4] .
Slutmålet med projektet er en komplet model, der omfatter alle C. elegans- celler (lige under tusind). På det første trin vil ormens bevægelse blive simuleret, hvortil 302 nervecellers og 95 muskelcellers arbejde simuleres. For 2014 blev der skabt modeller af det neurale connectom og muskelceller. Et tredimensionelt interaktivt anatomisk atlas over ormen er tilgængeligt på projektets hjemmeside. Bidragydere til OpenWorm-projektet udvikler også geppetto-platformen til modellering af hele organismer [5] .
I 2015 oplyste projektkoordinator S. Larson, at de opstillede mål blev nået med 20-30 % [1] .
Rundormen C. elegans for moderne genetik er analogen til Drosophila-fluen til klassisk naturvidenskab; det har et af de enkleste nervesystemer, der kun består af 302 neuroner [1] . Desuden er strukturen af forbindelser mellem dem ( connectome ) blevet undersøgt. Der er lige under tusind celler i ormens krop, som alle er blevet identificeret og beskrevet i den videnskabelige litteratur, da C. elegans er en populær modelorganisme . Ormenomet er også blevet fuldstændig aflæst, mange mutationer, ormens adfærd osv. Med et så lavt antal neuroner kan brugen af to-foton mikroskopi gøre det muligt at beskrive den fulde neuronale aktivitet af en levende organisme. Ved hjælp af optogenetiske teknologier vil det være muligt fuldt ud at beskrive kroppens neurodynamik.
I processen med at skabe en komplet in silico-model af et levende væsen, vil der blive skabt nye værktøjer og metoder, som vil forenkle modelleringen af mere komplekse organismer.
Nemaload-projektet [6] er et forskningsprogram til den empiriske søgen efter biologiske fakta, som vil være påkrævet for en fuldgyldig bottom-up-simulering. Nemaload-grundlæggeren David Dalrymple er bidragyder til OpenWorm-projektet.
På trods af projektets erklærede slutmål om at simulere hele kroppen af C. elegans og dens adfærdsmønstre, planlægger Open Worm-projektet i første omgang kun at opnå simuleringer af de enkleste motoriske reaktioner. For at gøre dette skal den virtuelle orm placeres i et virtuelt miljø. Det er nødvendigt for at opnå fuld feedback langs kæden: Miljøstimulus - sensorisk transduktion - affyring af mellemliggende neuroner - affyring af motoriske neuroner - kontraktion af muskelceller - miljøændring - sensorisk transduktion og så videre ...
De to vigtigste tekniske problemer er modellering af nervesystemets neurale og elektriske egenskaber under informationsbehandling og derefter modellering af de mekaniske egenskaber af ormens krop under bevægelse. Neuronernes egenskaber er modelleret af Hodgkin Huxley-ligningerne, og de mekaniske egenskaber er modelleret af Smoothed Particle Hydrodynamic-algoritmen.
OpenWorm-teamet skabte Geppetto-programmet, som integrerer disse algoritmer og, takket være dets modularitet, vil være i stand til at simulere andre biologiske systemer (for eksempel fordøjelse).
Holdet skabte også NeuroConstruct-miljøet, som beskriver strukturerne af neuroner i NeuroML-format. Et komplet C. elegans -connectom blev rekonstrueret ved hjælp af NeuroConstruct .
En model af en muskelcelle blev også skabt i NeuroML-formatet. Imidlertid inkluderer modeller i øjeblikket kun de enkleste reaktioner, ikke elektriske eller mekaniske egenskaber.
I næste fase af projektet vil deltagerne forbinde en muskelcelle med seks neuroner og studere deres interaktion.
Fremover vil processen blive gentaget for de resterende muskelceller.