大脑，蓝色的
- 来源:瞭望东方周刊
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- 发布时间:2009-08-24 11:17
数千颗高性能中央处理器（CPU）组合在一起，使得旨在探索大脑奥秘的蓝色大脑计划取得了初步成果。蓝色大脑已呱呱坠地。
2009年7月22日，瑞士洛桑联邦高等理工学院的神经科学家亨利·马克莱姆（Henry Markram）在科技、娱乐与设计（TED）大会上发表演讲时宣布，蓝色大脑计划的I期工程已经初步完成。
为了这一天的到来，马克莱姆做了长期的准备。早在十余年前，他就在这一领域深耕细作，到了2002年，他在理工学院创立了大脑与思维研究所。在长期的研究过程中，他和研究小组积累了大量数据，并构建了世界上最大的大脑皮层神经结构的数据库，这为蓝色大脑的建造做好了充分彩排。
在马克莱姆的领导下，蓝色大脑计划联合了生物学家和计算机科学家的力量。他们的第一步是利用IBM出品的蓝色基因S系列（Blue Gene/S）超级计算机，来对小鼠的新皮层进行模拟。这一数据运算“怪兽”处于峰值时，理论上每秒钟可以进行22.8万亿次浮点运算，足以挤进世界超级计算机排行榜的前15位。
此时的蓝色大脑，体积大约有4台冰箱大小，一共整合了8096颗CPU，每颗CPU的运行频率为700MHz，功耗达到100千瓦。此外科学家还为每颗CPU配备了256M或512M的内存，在Linux操作系统下，每个处理器可以模拟出一万到两万个神经元的活动情况。因此形象地说，这就是一个拥有电子化神经元且基于硅元素的模拟大脑。
蓝色大脑如何“思考”
大脑组织的80%是由皮层结构组成的，记忆、思考、反射、移情、交流、适应新环境以及计划未来，都有赖于大脑皮层。这一区域不但是哺乳动物大脑中最为复杂的部分，同时也是将哺乳动物与爬行动物区分开来的重要标志。
在数以亿万计的神经元之间，通过离子通道，它们彼此密切地传递收发着信息。大约每1万个神经元组成一个0.5毫米宽、2毫米高的柱状基本功能单位。这些功能单位就像蜂巢中的小格子一样，密密麻麻地排列在皮质上。它们结构上彼此相同，如同计算机芯片上的一个个晶体管。这样的结构，非常适合利用计算机来模拟。
由于人和小鼠的大脑皮层结构非常相似，其间区别主要在于前者的数量远大于后者，另外以现有的技术水平，可以模拟出包含1亿个神经元的大脑，这一数量级与两周龄小鼠的大脑相似，因此这项研究选择了小鼠的新皮层作为模拟对象。
摆在研究者面前的第一个任务是实现对神经元的模拟。以往的研究表明，神经元的形状和精细结构对其功能的发挥有着很大影响。不过，科学家对此早有准备，自从这些结构被发现以来，有关神经元形态和电学行为的数据已经积累了很多，这时候正好派上了用场。
神经元并非一个个孤立的个体，藉由种种电信号的互联交通，它们才能成为大脑的有机组成部分。因此成功模拟这些沟通信号，是蓝色大脑成功的关键。实现这一目标的前提是对大脑有着广泛而坚实的研究基础，比如我们需要对大量皮质细胞类型的组成、密度以及分布有着透彻的了解。另外借助树突和轴突，每个神经元会与其周围数千个神经元发生信息来往，一旦要模拟这种状况，将会涉及大量的运算，这对计算机硬件性能提出了近乎苛刻的高要求。
攻克上述两个难关之后，剩下的就是在细胞水平上对柱状基本功能单位的模拟。有了前面的基础，理论上这一步似乎水到渠成，不过由于计算机性能的限制，建模过程依然耗费了科学家很长时间。在模型框架搭建完成之后，研究人员需要进行长时间的测试，比如通过人工手段引入一些刺激，观察模型的反应，并与小鼠的大脑进行比较。如果二者间没有大的偏差，才能进入到下一步的建模。
蓝色大脑能干些什么
作为自然界最为复杂的器官，大脑蕴藏了无数人们迫切想要知道的秘密。
意识源自何处，知觉怎样产生，大脑如何处理外界刺激，记忆的机制是怎样的，孤独、抑郁、精神分裂以及老年痴呆症，这些疾病的病因隐藏在哪里——种种有关大脑的问题，吸引了一代又一代科学家投身于这一领域的研究。
小鼠新皮层的成功模拟，让科学家欣喜若狂，但他们并未止步于此。现代脑科学诞生100多年来，人们对大脑的认识越来越深入，但研究愈深入，前进的步伐也就愈慢，主要障碍在于研究手段的匮乏。蓝色大脑的横空出世，为测试、验证和发展这些成果，提供了一个极好的工作模型。比如大脑皮层的信息处理过程，一直是一个困扰科学家的难题。在蓝色大脑的帮助下，我们不仅可以进一步理解神经元、突触、离子通道以及受体的功能，对学习、记忆以及奖赏等大脑生理过程的认识，也将更为深入。
针对大脑疾病的药物的研发，是科学家关注的另一个焦点。神经组织的脆弱点在哪里，大脑功能的紊乱原因何在？按照传统的实验方法，多以老鼠或兔子为研究对象。马克莱尔透露，这些方法复杂到难以想象的程度。一些并不复杂的研究不但耗时长达数年之久，花费更是动辄超过上亿美元。有科学家推测，过去需要几年时间才能完成的课题，借助蓝色大脑力量，或许在一天之内即可搞定。
以帕金森综合征为例，这种疾患的病因在于大脑中产生多巴胺的细胞大量死亡，导致多巴胺水平急剧下降，继而引发病症。如果能给蓝色大脑施加相应刺激，再现这种疾病的发病过程，那么科学家研发相关药物时就可更加有的放矢。
此外，大脑实时活动情况的二维、三维成像，大脑功能的分子模型以及全脑功能的模拟，这些科学家们梦寐以求想要解决的问题，在蓝色大脑的助力之下都有可能逐一被攻克。
终结者或成现实？
蓝色大脑计划的I期工程证明大脑模拟的思路是可行的，不过这一步的成功完成只是万里长征的第一步。
在电影《终结者》中，植入到智能机器人T800和T1000中的计算机芯片能够像真人一样进行判断推理。考虑到技术以及伦理的因素，对于这种水平的模拟，研究者尚无奢望。就目前来看，科学家的真正“野心”是基本实现低人类大脑的模拟。
成年人的大脑重约1300克，由1000亿个神经元组成。这一数目是I期蓝色大脑的1000倍。这意味着模拟人脑的蓝色大脑，复杂性要高得多。IBM已经打算将下一代超级计算机——蓝色基因P系列投入到这项研究中，加之IT业依然有效的摩尔定律，据马克莱姆估计，只需十年时间，我们就可以看到完成这项艰巨任务的曙光。
IBM研究院蓝色大脑的负责人查尔斯·佩克（Charles Peck）认为，大脑模拟的真正意义在于，研究者可以得到一个复杂大脑系统中单个神经元的活动情况。■
……
2009年7月22日，瑞士洛桑联邦高等理工学院的神经科学家亨利·马克莱姆（Henry Markram）在科技、娱乐与设计（TED）大会上发表演讲时宣布，蓝色大脑计划的I期工程已经初步完成。
为了这一天的到来，马克莱姆做了长期的准备。早在十余年前，他就在这一领域深耕细作，到了2002年，他在理工学院创立了大脑与思维研究所。在长期的研究过程中，他和研究小组积累了大量数据，并构建了世界上最大的大脑皮层神经结构的数据库，这为蓝色大脑的建造做好了充分彩排。
在马克莱姆的领导下，蓝色大脑计划联合了生物学家和计算机科学家的力量。他们的第一步是利用IBM出品的蓝色基因S系列（Blue Gene/S）超级计算机，来对小鼠的新皮层进行模拟。这一数据运算“怪兽”处于峰值时，理论上每秒钟可以进行22.8万亿次浮点运算，足以挤进世界超级计算机排行榜的前15位。
此时的蓝色大脑，体积大约有4台冰箱大小，一共整合了8096颗CPU，每颗CPU的运行频率为700MHz，功耗达到100千瓦。此外科学家还为每颗CPU配备了256M或512M的内存，在Linux操作系统下，每个处理器可以模拟出一万到两万个神经元的活动情况。因此形象地说，这就是一个拥有电子化神经元且基于硅元素的模拟大脑。
蓝色大脑如何“思考”
大脑组织的80%是由皮层结构组成的，记忆、思考、反射、移情、交流、适应新环境以及计划未来，都有赖于大脑皮层。这一区域不但是哺乳动物大脑中最为复杂的部分，同时也是将哺乳动物与爬行动物区分开来的重要标志。
在数以亿万计的神经元之间，通过离子通道，它们彼此密切地传递收发着信息。大约每1万个神经元组成一个0.5毫米宽、2毫米高的柱状基本功能单位。这些功能单位就像蜂巢中的小格子一样，密密麻麻地排列在皮质上。它们结构上彼此相同，如同计算机芯片上的一个个晶体管。这样的结构，非常适合利用计算机来模拟。
由于人和小鼠的大脑皮层结构非常相似，其间区别主要在于前者的数量远大于后者，另外以现有的技术水平，可以模拟出包含1亿个神经元的大脑，这一数量级与两周龄小鼠的大脑相似，因此这项研究选择了小鼠的新皮层作为模拟对象。
摆在研究者面前的第一个任务是实现对神经元的模拟。以往的研究表明，神经元的形状和精细结构对其功能的发挥有着很大影响。不过，科学家对此早有准备，自从这些结构被发现以来，有关神经元形态和电学行为的数据已经积累了很多，这时候正好派上了用场。
神经元并非一个个孤立的个体，藉由种种电信号的互联交通，它们才能成为大脑的有机组成部分。因此成功模拟这些沟通信号，是蓝色大脑成功的关键。实现这一目标的前提是对大脑有着广泛而坚实的研究基础，比如我们需要对大量皮质细胞类型的组成、密度以及分布有着透彻的了解。另外借助树突和轴突，每个神经元会与其周围数千个神经元发生信息来往，一旦要模拟这种状况，将会涉及大量的运算，这对计算机硬件性能提出了近乎苛刻的高要求。
攻克上述两个难关之后，剩下的就是在细胞水平上对柱状基本功能单位的模拟。有了前面的基础，理论上这一步似乎水到渠成，不过由于计算机性能的限制，建模过程依然耗费了科学家很长时间。在模型框架搭建完成之后，研究人员需要进行长时间的测试，比如通过人工手段引入一些刺激，观察模型的反应，并与小鼠的大脑进行比较。如果二者间没有大的偏差，才能进入到下一步的建模。
蓝色大脑能干些什么
作为自然界最为复杂的器官，大脑蕴藏了无数人们迫切想要知道的秘密。
意识源自何处，知觉怎样产生，大脑如何处理外界刺激，记忆的机制是怎样的，孤独、抑郁、精神分裂以及老年痴呆症，这些疾病的病因隐藏在哪里——种种有关大脑的问题，吸引了一代又一代科学家投身于这一领域的研究。
小鼠新皮层的成功模拟，让科学家欣喜若狂，但他们并未止步于此。现代脑科学诞生100多年来，人们对大脑的认识越来越深入，但研究愈深入，前进的步伐也就愈慢，主要障碍在于研究手段的匮乏。蓝色大脑的横空出世，为测试、验证和发展这些成果，提供了一个极好的工作模型。比如大脑皮层的信息处理过程，一直是一个困扰科学家的难题。在蓝色大脑的帮助下，我们不仅可以进一步理解神经元、突触、离子通道以及受体的功能，对学习、记忆以及奖赏等大脑生理过程的认识，也将更为深入。
针对大脑疾病的药物的研发，是科学家关注的另一个焦点。神经组织的脆弱点在哪里，大脑功能的紊乱原因何在？按照传统的实验方法，多以老鼠或兔子为研究对象。马克莱尔透露，这些方法复杂到难以想象的程度。一些并不复杂的研究不但耗时长达数年之久，花费更是动辄超过上亿美元。有科学家推测，过去需要几年时间才能完成的课题，借助蓝色大脑力量，或许在一天之内即可搞定。
以帕金森综合征为例，这种疾患的病因在于大脑中产生多巴胺的细胞大量死亡，导致多巴胺水平急剧下降，继而引发病症。如果能给蓝色大脑施加相应刺激，再现这种疾病的发病过程，那么科学家研发相关药物时就可更加有的放矢。
此外，大脑实时活动情况的二维、三维成像，大脑功能的分子模型以及全脑功能的模拟，这些科学家们梦寐以求想要解决的问题，在蓝色大脑的助力之下都有可能逐一被攻克。
终结者或成现实？
蓝色大脑计划的I期工程证明大脑模拟的思路是可行的，不过这一步的成功完成只是万里长征的第一步。
在电影《终结者》中，植入到智能机器人T800和T1000中的计算机芯片能够像真人一样进行判断推理。考虑到技术以及伦理的因素，对于这种水平的模拟，研究者尚无奢望。就目前来看，科学家的真正“野心”是基本实现低人类大脑的模拟。
成年人的大脑重约1300克，由1000亿个神经元组成。这一数目是I期蓝色大脑的1000倍。这意味着模拟人脑的蓝色大脑，复杂性要高得多。IBM已经打算将下一代超级计算机——蓝色基因P系列投入到这项研究中，加之IT业依然有效的摩尔定律，据马克莱姆估计，只需十年时间，我们就可以看到完成这项艰巨任务的曙光。
IBM研究院蓝色大脑的负责人查尔斯·佩克（Charles Peck）认为，大脑模拟的真正意义在于，研究者可以得到一个复杂大脑系统中单个神经元的活动情况。■
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