新算法可模擬人腦整體神經(jīng)電路

陳超

日本理化學研究所日前宣布，他們的一個國際聯(lián)合研究小組成功開發(fā)出模擬人腦整體神經(jīng)電路的算法，可在下一代超級計算機上應(yīng)用。新算法不僅節(jié)省內(nèi)存，也能大幅提高現(xiàn)有超級計算機上的腦模擬速度。

神經(jīng)細胞是可發(fā)出電信號進行信息交換的特殊細胞，人類大腦中約為160億個，小腦中約為690億個，整個人腦約有860億個神經(jīng)細胞。神經(jīng)細胞通過突觸連接形成復雜的網(wǎng)絡(luò)，但目前，即使利用最先進的超級計算機也無法模擬人腦整體規(guī)模的神經(jīng)細胞電信號交換。為了模擬大腦，需要預先創(chuàng)建神經(jīng)細胞和突觸虛擬內(nèi)存。在模擬中，所有神經(jīng)細胞的電信號被發(fā)送到每個計算節(jié)點，并判斷哪個電信號應(yīng)該被遞送到哪個神經(jīng)細胞。在可模擬的大腦范圍，這種方法利用目前的超級計算機效率較高。

下一代超級計算機模擬的大腦范圍非常巨大，當每個計算節(jié)點接收到所有神經(jīng)細胞的電信號時，無用的電信號比例大且效率低，因此對整個大腦神經(jīng)電路的模擬變得非常困難。此外，下一代超級計算機使用目前的方法，也會造成內(nèi)存消耗大等問題。

此次開發(fā)的新算法，在模擬開始時即交換信息，來判斷在計算節(jié)點之間是否需要預先發(fā)送電信號，因而可以只發(fā)送和接收每個計算節(jié)點所需的電信號，避免了發(fā)送和接收無用信號，同時也避免了讓內(nèi)存判斷是否發(fā)送電信號給神經(jīng)細胞。通過這些手段，即使神經(jīng)電路的規(guī)模增加，每個計算節(jié)點的內(nèi)存量也不會增加，由此節(jié)省了內(nèi)存。迄今為止，超級計算機“京”已被用于帕金森氏病的腦病理學模擬。今后將通過下一代超級計算機“后京”模擬整個人腦神經(jīng)電路，以期闡明運動控制及思維的信息處理機制。