模擬人類大腦神經(jīng)連接出現(xiàn)重大突破

一個(gè)由國(guó)際科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)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(jìn)了重要的一步。這個(gè)新算法是在Frontiers in Neuroinformatics中發(fā)表的一篇開(kāi)放權(quán)限獲取論文中描述的，目的是允許在超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬人類大腦的1000億個(gè)互連神經(jīng)元。這項(xiàng)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(kāi)發(fā)，NEST是一個(gè)開(kāi)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(jì)劃的核心模擬器。研究人員在一份公告中解釋說(shuō)，用NEST，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)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(zhǎng)Markus Diesmann的說(shuō)法，自2014年以來(lái)，運(yùn)行于德國(guó)Jülich超級(jí)計(jì)算中心的RIKEN和JUQUEEN超級(jí)計(jì)算機(jī)上的petascale ** K超級(jí)計(jì)算機(jī)上的利用NEST進(jìn)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(jí)計(jì)算機(jī)不能模擬整個(gè)大腦或者說(shuō)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(shuō)：“在進(jìn)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(guò)程中，首先需要將神經(jīng)元的動(dòng)作電位（短電脈沖）發(fā)送到所有約100,000個(gè)的稱為節(jié)點(diǎn)的小型計(jì)算機(jī)，每個(gè)計(jì)算機(jī)都配備有執(zhí)行實(shí)際計(jì)算的多個(gè)處理器，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)檢查所有這些脈沖中的哪一個(gè)與存在于該節(jié)點(diǎn)上的虛擬神經(jīng)元相關(guān)。

該過(guò)程需要整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)神經(jīng)元的每個(gè)處理器有一位信息。對(duì)于十億個(gè)神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的大部分內(nèi)存被每個(gè)神經(jīng)元的單個(gè)信息消耗掉。當(dāng)然，每個(gè)神經(jīng)元的這些額外位所需的每個(gè)處理器所需的計(jì)算機(jī)內(nèi)存量隨著神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的大小而增加。要超過(guò)1％并模擬整個(gè)人腦，需要每個(gè)處理器的可用內(nèi)存比現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)大100倍。

在目前的千兆級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)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(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)中，模擬整個(gè)人腦10％的神經(jīng)元連接（中心）將成為可能，這超過(guò)當(dāng)今高端超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能10到100倍。然而，使用與當(dāng)前超級(jí)計(jì)算機(jī)相同數(shù)量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，一種新的算法可以在百億億級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)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(diǎn)。 例如，在Jülich的超級(jí)計(jì)算機(jī)JUQUEEN上運(yùn)行的由5.8萬(wàn)億突觸連接的5.2億神經(jīng)元大型模擬需要28.5分鐘來(lái)計(jì)算一秒鐘的生物時(shí)間。研究人員計(jì)算，使用改進(jìn)的算法，時(shí)間將縮短到僅5.2分鐘。

Diesmann說(shuō)：“百億億次計(jì)算速度的硬件和[即將推出的NEST]軟件的結(jié)合帶來(lái)了對(duì)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(shí)間的數(shù)分鐘內(nèi)展開(kāi)，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(jí)計(jì)算機(jī)的模擬速度更快。

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

這是第一次，研究人員將擁有模擬整個(gè)人類大腦規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)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(shuō) “我們一直在K計(jì)算機(jī)上用NEST來(lái)模擬健康和帕金森病中基底節(jié)環(huán)路的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)。我們很高興聽(tīng)到關(guān)于新一代NEST的消息，這將使我們能夠在后K計(jì)算機(jī)上運(yùn)行全腦模擬，以闡明運(yùn)動(dòng)控制和心理功能的神經(jīng)機(jī)制?！?/span>

注釋：

*NEST是針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的模擬器，專注于神經(jīng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，大小和結(jié)構(gòu)，而不是單個(gè)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(dòng)物的視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)皮層，網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型（如層狀皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)或平衡隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)）以及學(xué)習(xí)和可塑性模型。

**Petascale超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度為每秒百萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算（每秒10¹⁵浮點(diǎn)運(yùn)算）。未來(lái)的E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)將以每秒百億億次的速度（10¹⁸flop / s）運(yùn)行。目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)是中國(guó)無(wú)錫國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心的Sunway TaihuLight，運(yùn)行速度達(dá)到每秒9千3 百萬(wàn)億次。

***在Jülich，這項(xiàng)工作得到了仿真實(shí)驗(yàn)室神經(jīng)科學(xué)的支持，該實(shí)驗(yàn)室是Jülich超級(jí)計(jì)算中心的伯恩斯坦網(wǎng)絡(luò)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)設(shè)施。 部分資金來(lái)自歐盟第七框架計(jì)劃（Human Brain Project，HBP）和歐盟地平線2020研究與創(chuàng)新計(jì)劃，以及對(duì)后K計(jì)算機(jī)的探索性挑戰(zhàn)（了解思想的神經(jīng)機(jī)制及其在人工智能中的應(yīng)用） 日本文部科學(xué)?。∕EXT）。通過(guò)他們?cè)谌毡竞蜌W洲之間的聯(lián)合項(xiàng)目，研究人員希望為建立國(guó)際大腦倡議（IBI）做出貢獻(xiàn)。