大腦，藍色的

風之樺

意識源自何處,知覺怎樣產生,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——借助藍色大腦的模擬,這些難題可能被攻克

數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,瑞士洛桑聯邦高等理工學院的神經科學家亨利·馬克萊姆(Henry

Markram)在科技、娛樂與設計(TED)大會上發表演講時宣布,藍色大腦計劃的I期工程已經初步完成。

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,他就在這一領域深耕細作,到了2002年,他在理工學院創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據,并構建了世界上最大的大腦皮層神經結構的數據庫,這為藍色大腦的建造做好了充分彩排。

在馬克萊姆的領導下,藍色大腦計劃聯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。這一數據運算“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的內存,在Linux操作系統下,每個處理器可以模擬出一萬到兩萬個神經元的活動情況。因此形象地說,這就是一個擁有電子化神經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%是由皮層結構組成的,記憶、思考、反射、移情、交流、適應新環境以及計劃未來,都有賴于大腦皮層。這一區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分開來的重要標志。

在數以億萬計的神經元之間,通過離子通道,它們彼此密切地傳遞收發著信息。大約每1萬個神經元組成一個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上。它們結構上彼此相同,如同計算機芯片上的一個個晶體管。這樣的結構,非常適合利用計算機來模擬。

由于人和小鼠的大腦皮層結構非常相似,其間區別主要在于前者的數量遠大于后者,另外以現有的技術水平,可以模擬出包含1億個神經元的大腦,這一數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對神經元的模擬。以往的研究表明,神經元的形狀和精細結構對其功能的發揮有著很大影響。不過,科學家對此早有準備,自從這些結構被發現以來,有關神經元形態和電學行為的數據已經積累了很多,這時候正好派上了用場。

神經元并非一個個孤立的個體,藉由種種電信號的互聯交通,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鍵。實現這一目標的前提是對大腦有著廣泛而堅實的研究基礎,比如我們需要對大量皮質細胞類型的組成、密度以及分布有著透徹的了解。另外借助樹突和軸突,每個神經元會與其周圍數千個神經元發生信息來往,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,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,大腦蘊藏了無數人們迫切想要知道的秘密。

意識源自何處,知覺怎樣產生,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——種種有關大腦的問題,吸引了一代又一代科學家投身于這一領域的研究。

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。現代腦科學誕生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,是科學家關注的另一個焦點。神經組織的脆弱點在哪里,大腦功能的紊亂原因何在?按照傳統的實驗方法,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,繼而引發病癥。如果能給藍色大腦施加相應刺激,再現這種疾病的發病過程,那么科學家研發相關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。

終結者或成現實?

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”是基本實現低人類大腦的模擬。

成年人的大腦重約1300克,由1000億個神經元組成。這一數目是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業依然有效的摩爾定律,據馬克萊姆估計,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中單個神經元的活動情況。