模擬人類大腦神經(jīng)連接出現(xiàn)重大突破

一個由國際科學(xué)家組成的團隊發(fā)明了一種算法，代表著模擬人類大腦神經(jīng)連接的研究向前邁進了重要的一步。這個新算法是在Frontiers in Neuroinformatics中發(fā)表的一篇開放權(quán)限獲取論文中描述的，目的是允許在超級計算機上模擬人類大腦的1000億個互連神經(jīng)元。這項工作由Jülich研究中心、挪威生命科學(xué)大學(xué)、亞琛大學(xué)、RIKEN和KTH皇家理工學(xué)院的研究人員合作完成。

該算法使用NEST *（“神經(jīng)模擬工具”）開發(fā)，NEST是一個開放源碼仿真軟件，它被廣泛用于神經(jīng)科學(xué)界并且是歐洲人類腦計劃的核心模擬器。研究人員在一份公告中解釋說，用NEST，網(wǎng)絡(luò)中每個神經(jīng)元的行為都由少量的數(shù)學(xué)方程表示。

根據(jù)Jülich神經(jīng)科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究所所長Markus Diesmann的說法，自2014年以來，運行于德國Jülich超級計算中心的RIKEN和JUQUEEN超級計算機上的petascale ** K超級計算機上的利用NEST進行的大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真可以模擬人腦中約1％的神經(jīng)元的連接。這些模擬使用了NEST算法的先前版本。

為什么超級計算機不能模擬整個大腦或者說為什么尚且不能？ 斯德哥爾摩KTH皇家理工學(xué)院資深作家Susanne Kunkel解釋說：“在進行神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模擬之前，神經(jīng)元及其連接需要虛擬創(chuàng)建。”

在模擬過程中，首先需要將神經(jīng)元的動作電位（短電脈沖）發(fā)送到所有約100,000個的稱為節(jié)點的小型計算機，每個計算機都配備有執(zhí)行實際計算的多個處理器，然后每個節(jié)點檢查所有這些脈沖中的哪一個與存在于該節(jié)點上的虛擬神經(jīng)元相關(guān)。

該過程需要整個網(wǎng)絡(luò)中每個神經(jīng)元的每個處理器有一位信息。對于十億個神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點的大部分內(nèi)存被每個神經(jīng)元的單個信息消耗掉。當(dāng)然，每個神經(jīng)元的這些額外位所需的每個處理器所需的計算機內(nèi)存量隨著神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的大小而增加。要超過1％并模擬整個人腦，需要每個處理器的可用內(nèi)存比現(xiàn)在的超級計算機大100倍。

在目前的千兆級超級計算機上運行的腦模擬軟件只能代表大腦皮質(zhì)中約1％的神經(jīng)元連接（左圖的暗紅色區(qū)域）。在下一代百億億級超級計算機中，模擬整個人腦10％的神經(jīng)元連接（中心）將成為可能，這超過當(dāng)今高端超級計算機的性能10到100倍。然而，使用與當(dāng)前超級計算機相同數(shù)量的計算機內(nèi)存，一種新的算法可以在百億億級超級計算機上模擬100％人類大腦（全腦模擬）。

隨著內(nèi)存消耗的控制，模擬速度將成為主要焦點。 例如，在Jülich的超級計算機JUQUEEN上運行的由5.8萬億突觸連接的5.2億神經(jīng)元大型模擬需要28.5分鐘來計算一秒鐘的生物時間。研究人員計算，使用改進的算法，時間將縮短到僅5.2分鐘。

Diesmann說：“百億億次計算速度的硬件和[即將推出的NEST]軟件的結(jié)合帶來了對大腦功能基本方面的研究，如可塑性和學(xué)習(xí)，在生物學(xué)時間的數(shù)分鐘內(nèi)展開，將在我們的研究范圍之內(nèi)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，新算法還將使目前可用的petascale超級計算機的模擬速度更快。

在Neural Simulation Technology Initiative的發(fā)布的下一個模擬軟件版本中，研究人員將免費向社區(qū)研究人員提供新的開源代碼。

這是第一次，研究人員將擁有模擬整個人類大腦規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算能力。

沖繩縣科學(xué)技術(shù)研究所（OIST）的Kenji Doya可能是最早嘗試它的人之一。他說 “我們一直在K計算機上用NEST來模擬健康和帕金森病中基底節(jié)環(huán)路的復(fù)雜動力學(xué)。我們很高興聽到關(guān)于新一代NEST的消息，這將使我們能夠在后K計算機上運行全腦模擬，以闡明運動控制和心理功能的神經(jīng)機制。”

注釋：

*NEST是針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的模擬器，專注于神經(jīng)系統(tǒng)的動力學(xué)，大小和結(jié)構(gòu)，而不是單個神經(jīng)元的確切形態(tài)。NEST適用于任何規(guī)模的峰值神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，如信息處理模型，如哺乳動物的視覺或聽覺皮層，網(wǎng)絡(luò)活動動力學(xué)模型（如層狀皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)或平衡隨機網(wǎng)絡(luò)）以及學(xué)習(xí)和可塑性模型。

**Petascale超級計算機的運行速度為每秒百萬億次浮點運算（每秒10¹⁵浮點運算）。未來的E級超級計算機將以每秒百億億次的速度（10¹⁸flop / s）運行。目前最快的超級計算機是中國無錫國家超級計算中心的Sunway TaihuLight，運行速度達到每秒9千3 百萬億次。

***在Jülich，這項工作得到了仿真實驗室神經(jīng)科學(xué)的支持，該實驗室是Jülich超級計算中心的伯恩斯坦網(wǎng)絡(luò)計算神經(jīng)科學(xué)設(shè)施。 部分資金來自歐盟第七框架計劃（Human Brain Project，HBP）和歐盟地平線2020研究與創(chuàng)新計劃，以及對后K計算機的探索性挑戰(zhàn)（了解思想的神經(jīng)機制及其在人工智能中的應(yīng)用） 日本文部科學(xué)省（MEXT）。通過他們在日本和歐洲之間的聯(lián)合項目，研究人員希望為建立國際大腦倡議（IBI）做出貢獻。