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Nature:超级计算机模拟大鼠部分大脑功能

摘要 : 蓝脑计划(Blue Brain Project),这个旨在通过超级计算机来模拟人脑的欧洲神经科学项目长久以来备受争议。现在,经过长达十年的研究,该项目终于发布了其首个重大成果:成功制作出沙粒大小的大鼠脑神经回路的数字模型。该研究工作模拟了通过近3 700万个突触所连接的约31 000个虚拟脑细胞。

 10月1日,《Nature》发表了2005年开始的蓝脑计划终于在10年之后发表了第一篇论文。

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蓝脑计划模拟的一个大脑切片:依照神经元的电活动强度,它们被标上了不同的颜色。

蓝脑计划(Blue Brain Project),这个旨在通过超级计算机来模拟人脑的欧洲神经科学项目长久以来备受争议。现在,经过长达十年的研究,该项目终于发布了其首个重大成果:成功制作出沙粒大小的大鼠脑神经回路的数字模型。该研究工作模拟了通过近3 700万个突触所连接的约31 000个虚拟脑细胞。

蓝脑计划开始于2005年,由瑞士洛桑联邦理工学院的神经科学家亨利•马克拉姆(Henry Markram)主持进行。它的目的是利用实验中获得的有关神经元三维形状及其电学特性、离子通道和不同细胞产生的蛋白质的数据,来构建一个具有生物学细节的大脑计算机模型。

马克拉姆认为这样的模型有助于我们更深层的了解大脑是如何工作的,但是其他神经学家持有异议,他们认为此模型与更简单更抽象的神经回路模拟相比,没什么更大的用处,要说有什么区别,只不过前者占用了大量宝贵的运算能力和超算资源罢了。

此计划也与价值10亿欧元(约11亿美元)的人类大脑项目(Human Brain Project)有着些许关联,马克拉姆曾帮忙游说欧洲委员会出资开启这个长达十年的项目,此项目的目标也是用超级计算机模拟人类的大脑。人类大脑计划已于2013年顺利启动,马克拉姆曾是其领导人之一。不过就在今年三月,由于外界对于其管理方式上的批评,其领导层发生了变动,科研计划也有所改动。

一篇描述大鼠脑模型的论文于10月8日发表在《细胞》(Cell),它可以让我们窥视到马克拉姆所设想的世界。来自12个国家的80位研究人员的努力成果汇集到一个大脑模型上,此模型模拟了大鼠的初级躯体感觉皮层(此皮层接收来自触须和其他身体部分上的感官信息)上的一小块神经回路。

这个模型并没有模拟皮层的所有细节(如果感兴趣的话可以戳进去看看,是免费的):首先它并不包括神经胶质细胞(大脑的非神经元细胞)和血管,也没有模拟神经回路更复杂的特性,例如可塑性(突触连接如何响应外界刺激而发生改变)。

不管怎样,马克拉姆表示这个模型可以再现皮质回路的突现性质。当用特定的方法操作时,例如模拟触须的挠度,此模型可以得到和实际实验一样的结果。他还说,这个模型可以模拟无法实际操作的实验,这样就能帮助我们了解神经网络中单个神经元的作用。

此计划的批评者们怀疑模拟大脑是否真的能带来新的认识。“他们想利用这个这个模型得到一些有关真实生物学功能的有趣结论,但是好像不大成功。与它取得那点简单结果相比,这个模型实在是太复杂了。”加拿大滑铁卢大学的理论神经学家克里斯•伊莱斯密斯(Chris Eliasmith)说。伊莱斯史密斯曾带领他的科研团队在2012年公布了名为Spaun的大型的人脑模拟成果。这个名为Spaun的大脑模型由250万个神经元组成,但是其使用的脑细胞的数学算法比蓝色大脑的要简单的多。他认为,10月份发表的这篇论文并不能改变马克拉姆的反对者们的立场。

但是马克拉姆面对质疑和困难不为所动。他指出,此模型只是一个并不完美的初稿,随着进一步的生物学实验提供更详细的数据,模型也会逐渐完善。而至于模拟人脑,他说道,这可是个相当大的计算难题:大鼠脑皮层模型每25微秒只进行10亿次运算,要想模拟人脑,还需要10亿倍以上的计算能力。最后马克拉姆表示:“对于超级计算机来说这是个巨大的挑战,但是我们正在与IBM密切合作,以提高超级计算机的运算能力。”

原文链接:

Fragment of rat brain simulated in supercomputer

原文摘要:

A controversial European neuroscience project that aims to simulate the human brain in a supercomputer has published its first major result: a digital imitation of circuitry in a sandgrain-sized chunk of rat brain. The work models some 31,000 virtual brain cells connected by roughly 37 million synapses.The goal of the Blue Brain Project, which launched in 2005 and is led by neurobiologist Henry Markram of the Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne (EPFL), is to build a biologically-detailed computer simulation of the brain based on experimental data about neurons' 3D shapes, their electrical properties, and the ion channels and other proteins that different cell types typically produce (see ‘Brain in a box’).

来源: Nature 浏览次数:0

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