數(shù)千顆高性能中央處理器（CPU）組合在一起，使得旨在探索大腦奧秘的藍色大腦計劃取得了初步成果。藍色大腦已呱呱墜地。
2009年7月22日，瑞士洛桑聯(lián)邦高等理工學院的神經(jīng)科學家亨利·馬克萊姆（Henry Markram）在科技、娛樂與設(shè)計（TED）大會上發(fā)表演講時宣布，藍色大腦計劃的I期工程已經(jīng)初步完成。
為了這一天的到來，馬克萊姆做了長期的準備。早在十余年前，他就在這一領(lǐng)域深耕細作，到了2002年，他在理工學院創(chuàng)立了大腦與思維研究所。在長期的研究過程中，他和研究小組積累了大量數(shù)據(jù)，并構(gòu)建了世界上最大的大腦皮層神經(jīng)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，這為藍色大腦的建造做好了充分彩排。
在馬克萊姆的領(lǐng)導下，藍色大腦計劃聯(lián)合了生物學家和計算機科學家的力量。他們的第一步是利用IBM出品的藍色基因S系列（Blue Gene/S）超級計算機，來對小鼠的新皮層進行模擬。這一數(shù)據(jù)運算“怪獸”處于峰值時，理論上每秒鐘可以進行22.8萬億次浮點運算，足以擠進世界超級計算機排行榜的前15位。
此時的藍色大腦，體積大約有4臺冰箱大小，一共整合了8096顆CPU，每顆CPU的運行頻率為700MHz，功耗達到100千瓦。此外科學家還為每顆CPU配備了256M或512M的內(nèi)存，在Linux操作系統(tǒng)下，每個處理器可以模擬出一萬到兩萬個神經(jīng)元的活動情況。因此形象地說，這就是一個擁有電子化神經(jīng)元且基于硅元素的模擬大腦。
藍色大腦如何“思考”
大腦組織的80%是由皮層結(jié)構(gòu)組成的，記憶、思考、反射、移情、交流、適應新環(huán)境以及計劃未來，都有賴于大腦皮層。這一區(qū)域不但是哺乳動物大腦中最為復雜的部分，同時也是將哺乳動物與爬行動物區(qū)分開來的重要標志。
在數(shù)以億萬計的神經(jīng)元之間，通過離子通道，它們彼此密切地傳遞收發(fā)著信息。大約每1萬個神經(jīng)元組成一個0.5毫米寬、2毫米高的柱狀基本功能單位。這些功能單位就像蜂巢中的小格子一樣，密密麻麻地排列在皮質(zhì)上。它們結(jié)構(gòu)上彼此相同，如同計算機芯片上的一個個晶體管。這樣的結(jié)構(gòu)，非常適合利用計算機來模擬。
由于人和小鼠的大腦皮層結(jié)構(gòu)非常相似，其間區(qū)別主要在于前者的數(shù)量遠大于后者，另外以現(xiàn)有的技術(shù)水平，可以模擬出包含1億個神經(jīng)元的大腦，這一數(shù)量級與兩周齡小鼠的大腦相似，因此這項研究選擇了小鼠的新皮層作為模擬對象。
擺在研究者面前的第一個任務是實現(xiàn)對神經(jīng)元的模擬。以往的研究表明，神經(jīng)元的形狀和精細結(jié)構(gòu)對其功能的發(fā)揮有著很大影響。不過，科學家對此早有準備，自從這些結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)以來，有關(guān)神經(jīng)元形態(tài)和電學行為的數(shù)據(jù)已經(jīng)積累了很多，這時候正好派上了用場。
神經(jīng)元并非一個個孤立的個體，藉由種種電信號的互聯(lián)交通，它們才能成為大腦的有機組成部分。因此成功模擬這些溝通信號，是藍色大腦成功的關(guān)鍵。實現(xiàn)這一目標的前提是對大腦有著廣泛而堅實的研究基礎(chǔ)，比如我們需要對大量皮質(zhì)細胞類型的組成、密度以及分布有著透徹的了解。另外借助樹突和軸突，每個神經(jīng)元會與其周圍數(shù)千個神經(jīng)元發(fā)生信息來往，一旦要模擬這種狀況，將會涉及大量的運算，這對計算機硬件性能提出了近乎苛刻的高要求。
攻克上述兩個難關(guān)之后，剩下的就是在細胞水平上對柱狀基本功能單位的模擬。有了前面的基礎(chǔ)，理論上這一步似乎水到渠成，不過由于計算機性能的限制，建模過程依然耗費了科學家很長時間。在模型框架搭建完成之后，研究人員需要進行長時間的測試，比如通過人工手段引入一些刺激，觀察模型的反應，并與小鼠的大腦進行比較。如果二者間沒有大的偏差，才能進入到下一步的建模。
藍色大腦能干些什么
作為自然界最為復雜的器官，大腦蘊藏了無數(shù)人們迫切想要知道的秘密。
意識源自何處，知覺怎樣產(chǎn)生，大腦如何處理外界刺激，記憶的機制是怎樣的，孤獨、抑郁、精神分裂以及老年癡呆癥，這些疾病的病因隱藏在哪里——種種有關(guān)大腦的問題，吸引了一代又一代科學家投身于這一領(lǐng)域的研究。
小鼠新皮層的成功模擬，讓科學家欣喜若狂，但他們并未止步于此?，F(xiàn)代腦科學誕生100多年來，人們對大腦的認識越來越深入，但研究愈深入，前進的步伐也就愈慢，主要障礙在于研究手段的匱乏。藍色大腦的橫空出世，為測試、驗證和發(fā)展這些成果，提供了一個極好的工作模型。比如大腦皮層的信息處理過程，一直是一個困擾科學家的難題。在藍色大腦的幫助下，我們不僅可以進一步理解神經(jīng)元、突觸、離子通道以及受體的功能，對學習、記憶以及獎賞等大腦生理過程的認識，也將更為深入。
針對大腦疾病的藥物的研發(fā)，是科學家關(guān)注的另一個焦點。神經(jīng)組織的脆弱點在哪里，大腦功能的紊亂原因何在？按照傳統(tǒng)的實驗方法，多以老鼠或兔子為研究對象。馬克萊爾透露，這些方法復雜到難以想象的程度。一些并不復雜的研究不但耗時長達數(shù)年之久，花費更是動輒超過上億美元。有科學家推測，過去需要幾年時間才能完成的課題，借助藍色大腦力量，或許在一天之內(nèi)即可搞定。
以帕金森綜合征為例，這種疾患的病因在于大腦中產(chǎn)生多巴胺的細胞大量死亡，導致多巴胺水平急劇下降，繼而引發(fā)病癥。如果能給藍色大腦施加相應刺激，再現(xiàn)這種疾病的發(fā)病過程，那么科學家研發(fā)相關(guān)藥物時就可更加有的放矢。
此外，大腦實時活動情況的二維、三維成像，大腦功能的分子模型以及全腦功能的模擬，這些科學家們夢寐以求想要解決的問題，在藍色大腦的助力之下都有可能逐一被攻克。
終結(jié)者或成現(xiàn)實？
藍色大腦計劃的I期工程證明大腦模擬的思路是可行的，不過這一步的成功完成只是萬里長征的第一步。
在電影《終結(jié)者》中，植入到智能機器人T800和T1000中的計算機芯片能夠像真人一樣進行判斷推理。考慮到技術(shù)以及倫理的因素，對于這種水平的模擬，研究者尚無奢望。就目前來看，科學家的真正“野心”是基本實現(xiàn)低人類大腦的模擬。
成年人的大腦重約1300克，由1000億個神經(jīng)元組成。這一數(shù)目是I期藍色大腦的1000倍。這意味著模擬人腦的藍色大腦，復雜性要高得多。IBM已經(jīng)打算將下一代超級計算機——藍色基因P系列投入到這項研究中，加之IT業(yè)依然有效的摩爾定律，據(jù)馬克萊姆估計，只需十年時間，我們就可以看到完成這項艱巨任務的曙光。
IBM研究院藍色大腦的負責人查爾斯·佩克（Charles Peck）認為，大腦模擬的真正意義在于，研究者可以得到一個復雜大腦系統(tǒng)中單個神經(jīng)元的活動情況。
聯(lián)系客服
