大腦，藍(lán)色的

風(fēng)之樺

意識(shí)源自何處,知覺怎樣產(chǎn)生,記憶的機(jī)制是怎樣的,孤獨(dú)、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——借助藍(lán)色大腦的模擬,這些難題可能被攻克

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(lán)色大腦計(jì)劃取得了初步成果。

藍(lán)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(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家亨利·馬克萊姆(Henry

Markram)在科技、娛樂與設(shè)計(jì)(TED)大會(huì)上發(fā)表演講時(shí)宣布,藍(lán)色大腦計(jì)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(zhǎng)期的準(zhǔn)備。早在十余年前,他就在這一領(lǐng)域深耕細(xì)作,到了2002年,他在理工學(xué)院創(chuàng)立了大腦與思維研究所。在長(zhǎng)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(lán)色大腦的建造做好了充分彩排。

在馬克萊姆的領(lǐng)導(dǎo)下,藍(lán)色大腦計(jì)劃聯(lián)合了生物學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家的力量。他們的第一步是利用IBM出品的藍(lán)色基因S系列(Blue Gene/S)超級(jí)計(jì)算機(jī),來對(duì)小鼠的新皮層進(jìn)行模擬。這一數(shù)據(jù)運(yùn)算“怪獸”處于峰值時(shí),理論上每秒鐘可以進(jìn)行22.8萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算,足以擠進(jìn)世界超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜的前15位。

此時(shí)的藍(lán)色大腦,體積大約有4臺(tái)冰箱大小,一共整合了8096顆CPU,每顆CPU的運(yùn)行頻率為700MHz,功耗達(dá)到100千瓦。此外科學(xué)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(gè)處理器可以模擬出一萬到兩萬個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)情況。因此形象地說,這就是一個(gè)擁有電子化神經(jīng)元且基于硅元素的模擬大腦。

藍(lán)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(yīng)新環(huán)境以及計(jì)劃未來,都有賴于大腦皮層。這一區(qū)域不但是哺乳動(dòng)物大腦中最為復(fù)雜的部分,同時(shí)也是將哺乳動(dòng)物與爬行動(dòng)物區(qū)分開來的重要標(biāo)志。

在數(shù)以億萬計(jì)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(gè)神經(jīng)元組成一個(gè)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(jì)算機(jī)芯片上的一個(gè)個(gè)晶體管。這樣的結(jié)構(gòu),非常適合利用計(jì)算機(jī)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(yuǎn)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(gè)神經(jīng)元的大腦,這一數(shù)量級(jí)與兩周齡小鼠的大腦相似,因此這項(xiàng)研究選擇了小鼠的新皮層作為模擬對(duì)象。

擺在研究者面前的第一個(gè)任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元的模擬。以往的研究表明,神經(jīng)元的形狀和精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)其功能的發(fā)揮有著很大影響。不過,科學(xué)家對(duì)此早有準(zhǔn)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(xué)行為的數(shù)據(jù)已經(jīng)積累了很多,這時(shí)候正好派上了用場(chǎng)。

神經(jīng)元并非一個(gè)個(gè)孤立的個(gè)體,藉由種種電信號(hào)的互聯(lián)交通,它們才能成為大腦的有機(jī)組成部分。因此成功模擬這些溝通信號(hào),是藍(lán)色大腦成功的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是對(duì)大腦有著廣泛而堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ),比如我們需要對(duì)大量皮質(zhì)細(xì)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(gè)神經(jīng)元會(huì)與其周圍數(shù)千個(gè)神經(jīng)元發(fā)生信息來往,一旦要模擬這種狀況,將會(huì)涉及大量的運(yùn)算,這對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能提出了近乎苛刻的高要求。

攻克上述兩個(gè)難關(guān)之后,剩下的就是在細(xì)胞水平上對(duì)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(jì)算機(jī)性能的限制,建模過程依然耗費(fèi)了科學(xué)家很長(zhǎng)時(shí)間。在模型框架搭建完成之后,研究人員需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試,比如通過人工手段引入一些刺激,觀察模型的反應(yīng),并與小鼠的大腦進(jìn)行比較。如果二者間沒有大的偏差,才能進(jìn)入到下一步的建模。

藍(lán)色大腦能干些什么

作為自然界最為復(fù)雜的器官,大腦蘊(yùn)藏了無數(shù)人們迫切想要知道的秘密。

意識(shí)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(jī)制是怎樣的,孤獨(dú)、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(xué)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(xué)家欣喜若狂,但他們并未止步于此?，F(xiàn)代腦科學(xué)誕生100多年來,人們對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)越來越深入,但研究愈深入,前進(jìn)的步伐也就愈慢,主要障礙在于研究手段的匱乏。藍(lán)色大腦的橫空出世,為測(cè)試、驗(yàn)證和發(fā)展這些成果,提供了一個(gè)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(gè)困擾科學(xué)家的難題。在藍(lán)色大腦的幫助下,我們不僅可以進(jìn)一步理解神經(jīng)元、突觸、離子通道以及受體的功能,對(duì)學(xué)習(xí)、記憶以及獎(jiǎng)賞等大腦生理過程的認(rèn)識(shí),也將更為深入。

針對(duì)大腦疾病的藥物的研發(fā),是科學(xué)家關(guān)注的另一個(gè)焦點(diǎn)。神經(jīng)組織的脆弱點(diǎn)在哪里,大腦功能的紊亂原因何在?按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法,多以老鼠或兔子為研究對(duì)象。馬克萊爾透露,這些方法復(fù)雜到難以想象的程度。一些并不復(fù)雜的研究不但耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年之久,花費(fèi)更是動(dòng)輒超過上億美元。有科學(xué)家推測(cè),過去需要幾年時(shí)間才能完成的課題,借助藍(lán)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(xì)胞大量死亡,導(dǎo)致多巴胺水平急劇下降,繼而引發(fā)病癥。如果能給藍(lán)色大腦施加相應(yīng)刺激,再現(xiàn)這種疾病的發(fā)病過程,那么科學(xué)家研發(fā)相關(guān)藥物時(shí)就可更加有的放矢。

此外,大腦實(shí)時(shí)活動(dòng)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(xué)家們夢(mèng)寐以求想要解決的問題,在藍(lán)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(shí)?

藍(lán)色大腦計(jì)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(zhǎng)征的第一步。

在電影《終結(jié)者》中,植入到智能機(jī)器人T800和T1000中的計(jì)算機(jī)芯片能夠像真人一樣進(jìn)行判斷推理?？紤]到技術(shù)以及倫理的因素,對(duì)于這種水平的模擬,研究者尚無奢望。就目前來看,科學(xué)家的真正“野心”是基本實(shí)現(xiàn)低人類大腦的模擬。

成年人的大腦重約1300克,由1000億個(gè)神經(jīng)元組成。這一數(shù)目是I期藍(lán)色大腦的1000倍。這意味著模擬人腦的藍(lán)色大腦,復(fù)雜性要高得多。IBM已經(jīng)打算將下一代超級(jí)計(jì)算機(jī)——藍(lán)色基因P系列投入到這項(xiàng)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(jì),只需十年時(shí)間,我們就可以看到完成這項(xiàng)艱巨任務(wù)的曙光。

IBM研究院藍(lán)色大腦的負(fù)責(zé)人查爾斯·佩克(Charles Peck)認(rèn)為,大腦模擬的真正意義在于,研究者可以得到一個(gè)復(fù)雜大腦系統(tǒng)中單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)情況。