ジェネシス（ソフトウェア） - 百科事典

### GENESIS (一般神経シミュレーションシステム)
GENESISは、細胞内過程、個別のニューロン、ニューロンネットワーク、ニューロンシステムなど、多くのスケールでの神経生物学的システムのリアルなモデルを構築するためのシミュレーション環境です。これらのシミュレーションは、「主たる目的が、興味のある神経系の解剖学的構造や生理学的特徴について知られていることを捉える」というモデルの「コンピュータベースの実装」です。GENESISは、神経系の物理的なフレームワークを容易に理解できるように量化的にするように設計されています。「現在、GENESISのみが、マルチインストラクション・マルチデータ並列コンピュータ上で単一のニューロンやネットワークの並列化モデル化を可能にしています」。GENESISソフトウェアの開発は、カリフォルニア工科大学（Caltech）からテキサス大学サンアントニオ校、アントウェルペン大学、バンガロールの国立生物学センター、コロラド大学、ピッツバーグスーパーコンピュータセンター、サンディエゴスーパーコンピュータセンター、エモリー大学の研究所に広がりました。

ニューロンとニューロンシステム
GENESISは、ニューロンやニューロンシステムのモデルを構築するためのシミュレーション環境を作成することで動作します。「神経細胞は、他の神経細胞と非常に構造化された方法でコミュニケーションを取ることができ、ニューロンネットワークを形成します。ニューロンネットワークを理解するには、一つのニューロンが別のニューロンとシナプス接続を通じてコミュニケーションを取る方法や、シナプス伝達と呼ばれるプロセスを理解する必要があります」。ニューロンは、その機能に特化した構造を持ち、「体のほとんどの細胞とは異なり、極性があり、特定の機能を持つ明確な形態的領域を持っています」。ニューロンの二つの重要な領域は、突起と軸索です。「突起は、一つのニューロンが他のニューロンからの接続を受ける領域です。細胞体またはソーマには、細胞機能に必要な核と他の器官があります。軸索は、ニューロンの一部から別の部分（例えば、細胞体）に情報が伝達される鍵となる構成要素です」。ニューロンの第三の重要な部分はシナプスです。「シナプスは、軸索の末端部分であり、一つのニューロンが別のニューロンと接続を形成し、シナプス伝達のプロセスを通じて情報を伝達する場所です」。

GENESISソフトウェアでシミュレーションを行ったようなニューロンネットワークは、非常に複雑になり、理解が難しくなることがあります。「数個の連結されたニューロン（マイクロ回路）だけでも、反射を調節したり、感覚情報を処理したり、運動を生成したり、学習と記憶を調節するなど、複雑なタスクを果たすことができます。さらに複雑なネットワーク、マクロ回路は、複数の埋め込まれたマイクロ回路で構成されています。マクロ回路は、物体認識や認知などの高い脳機能を調節します」。GENESISは、自然界で見られるニューロンシステムを模倣することを目指しています。多くの場合、「一つのニューロンは最大10,000の前シナプスニューロンからの接続を受け取り、逆に一つのニューロンは最大10,000の後シナプスニューロンに接続できます。組み合わせの可能性は、非常に複雑なニューロン回路やネットワークトポロジーを生み出すことができ、理解が難しいかもしれません」。

歴史
GENESISは、カリフォルニア工科大学（Caltech）のジェームズ・M・ボーア博士によって開発され、1988年にマサチューセッツ州ウッドホールの海洋生物学研究所で開催された最初の計算神経科学の方法論コースに関連して、初めて一般に公開されました。その年の同時に、ソフトウェアのフルソースコードがオープンソフトウェアモデルの開発のために公開されました。今では、テキサス大学サンアントニオ校の計算生物学イニシアチブによってサポートされており、使用に関するチュートリアルガイドとともに無料で提供されています。P-GENESIS、GENESISの並列バージョンは、1990年にインテル・デルタで初めて実行されました。これは、インテル・パラゴンファミリーの大規模並列スーパーコンピュータのプロトタイプでした。

GENESISの動作方法
GENESISは、神経生物学的システムのモデルを構築するためのシミュレーション環境を作成するのに役立ちます。これには、以下のようなものが含まれます：

細胞内過程
個別のニューロン
ニューロンネットワーク
ニューロンシステム

GENESISシステムは複雑ですが、比較的使いやすいです。

ユーザーは、以下の3つの方法のいずれかでコマンドを入力できます：スクリプトファイル、グラフィカルユーザーインターフェース、またはGENESISコマンドシェル。これらのコマンドは、その後スクリプト言語インタープリタによって処理されます。「スクリプト言語インタープリタは、キーボード、スクリプトファイル、またはグラフィカルユーザーインターフェースを通じて入力されたコマンドを処理し、それらをGENESISシミュレーションエンジンに渡します。シミュレーションエンジンは、コンパイルされたオブジェクトライブラリをロードし、データファイルを読み書きし、グラフィカルユーザーインターフェースと相互作用します」。以下は、ユーザー入力プロセスのグラフィカル表示とサンプルGENESISの出力です。

アプリケーション
現在のGENESISのほとんどのアプリケーションは、生物学的システムのリアルなシミュレーションに焦点を当てています。通常、より大きな脳構造、例えば大脳皮質の行動をシミュレートするために使用されます。これらの研究は、カリフォルニア工科大学やマサチューセッツ州ウッドホールの海洋生物学研究所での神経シミュレーションの実験コースでよく行われます。

GENESISは、イェール大学のNEURONというソフトウェアと組み合わせて使用され、科学者が神経系の物理的な描写を構築するための協力手段として使用されます。GENESISソフトウェアは、シグナル伝達経路のモデリングに使用されるKinetikitとも組み合わせられます。

GENESISは多くの研究で使用されています。これらの中には、多くの分野で役立つソフトウェアの開発に焦点を当てた研究や、Purkinje細胞などのニューロンの研究が含まれます。これらの研究では、GENESISを使用してPurkinje細胞をシミュレートし、GENESISソフトウェアを使用した後の実験の計画や開発に役立つことがあります。

また、このソフトウェアには医療分野の応用も考えられます。例えば、ヨーロッパのSt. Jude Medicalは、埋め込まれたGENESISデバイスを開発しました。

参考資料
- ニューロンネットワークソフトウェア
- 人工知能
- 人工ニューロン
- 集成開発環境
- 理論的神経形態学
- NEURON

出版物
The Book of GENESIS: Exploring Realistic Neural Models with the GEneral NEural SImulation System, Springer, (1998), ISBN 978-0-387-94938-3

参考文献
- （省略）

外部リンク
- オフィシャルウェブサイト
- GENESIS出版物
- ScholarpediaのGENESIS

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