大腦研究正在挑戰超級計算，“人腦計劃”或需提前部署百億億級超級計算機

據了解，人腦包含大約 860 億個(gè)神經(jīng)元，可形成數萬(wàn)億個(gè)接觸點(diǎn)。如果以細胞分辨率對整個(gè)大腦進(jìn)行成像，甚至會(huì )產(chǎn)生數 PB 范圍內的數據，這樣的的計算量令人望而生畏。

在近期的 Science 上，人腦研究專(zhuān)家們解釋了神經(jīng)科學(xué)的進(jìn)步為什么需要高性能計算技術(shù)，并提出進(jìn)一步的腦類(lèi)研究可能需要百億億級計算設備的協(xié)助[1]。

相關(guān)論文以《大腦研究挑戰超級計算》（Brain research challenges supercomputing）為題，德國神經(jīng)科學(xué)家卡特琳·阿蒙茨（Katrin Amunts）以及 Jülich 超級計算中心主任托馬斯·利珀特（Thomas Lippert）為共同第一作者。

“了解大腦的所有復雜性需要從多個(gè)尺度——從基因組學(xué)、細胞和突觸到整個(gè)器官水平的洞察力，這意味著(zhù)需要處理大量數據?！卑⒚纱谋硎?。

據了解，阿蒙茨被譽(yù)為是世界上腦圖譜領(lǐng)域最杰出的神經(jīng)科學(xué)家之一。她不僅是 Jülich 研究中心神經(jīng)科學(xué)與醫學(xué)研究所主任，同時(shí)也是人腦計劃（HBP）的科學(xué)研究主任。

人腦計劃項目于 2013 年 10 月 1 日正式啟動(dòng)，被歐盟委員會(huì )視為“未來(lái)和新興技術(shù)旗艦項目之一”。其目的是為大腦研究和類(lèi)腦計算創(chuàng )建一個(gè)研究基礎設施，供歐洲和其他地方的科學(xué)家使用。

人腦計劃主要涵蓋兩個(gè)方面。一方面是非常關(guān)注認知和意識問(wèn)題以及適應性架構的科學(xué)議程，從而將神經(jīng)科學(xué)、大腦健康和大腦啟發(fā)技術(shù)平衡到該科學(xué)計劃中。另一方面是 EBRAINS 架構的開(kāi)發(fā)。

起初，該項目尚未啟動(dòng)時(shí)資金承諾超過(guò) 10 億歐元，為期 10 年，其中一半將由歐盟委員會(huì )提供。

然而，項目執行后不到一年，科學(xué)界就提出了抗議。100 多名研究人員致函委員會(huì )，稱(chēng)該項目構思和管理不當，導致委員會(huì )不得不削減預算，并引入新的管理人員。

但毋庸置疑的是，在關(guān)鍵數據處理上，由該項目研發(fā)出的 EBRAINS 架構正發(fā)揮著(zhù)重要作用。

這其中，EBRAINS 為大腦研究人員提供了一系列工具、數據和計算服務(wù)。包括通過(guò) Fenix 聯(lián)合基礎設施訪(fǎng)問(wèn)超級計算系統，該系統由歐洲領(lǐng)先的超級計算中心建立，作為人類(lèi)大腦項目的一部分，將為大腦研究以外的社區提供服務(wù)。

人腦計劃作為全球性組織國際大腦計劃（IBI）的一部分，雖然其本身將于 2023 年到期，但預計技術(shù)基礎設施和項目將繼續進(jìn)行，屆時(shí)也許會(huì )有更多的國際參與。

該項目項目負責人表示，“我們需要與他人密切合作，以確?；ゲ僮餍?，這是神經(jīng)科學(xué)需要采取的下一個(gè)重要步驟，以確?？芍貜托院涂蓮椭菩??！?br />
不過(guò)，阿蒙茨也指出，人腦的復雜程度遠超想象，大腦神經(jīng)回路的天文數字壓倒了研究人員，高性能計算的重要性正日益彰顯。

此前，有科學(xué)家提出神經(jīng)科學(xué)中的四個(gè)重大挑戰：神經(jīng)解剖學(xué)和結構連接組學(xué)；神經(jīng)群體動(dòng)力學(xué)和功能連接組學(xué)；將感覺(jué)、大腦和行為聯(lián)系起來(lái)；通過(guò)模擬進(jìn)行綜合。

這些挑戰在規模上都需要高性能計算的參與。

“這是超級計算的一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，我們從神經(jīng)科學(xué)界的研究人員那里收到了很多新的要求，他們需要強大的計算來(lái)解決大腦的復雜性。作為回應，我們正在開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)用于研究大腦的新工具?！崩晏乇硎?。

一方面，高性能計算使科學(xué)家能夠長(cháng)時(shí)間同時(shí)記錄大量大腦信號，捕捉產(chǎn)生感覺(jué)、動(dòng)作、認知和意識的活動(dòng)模式。

另一方面，模擬大腦活動(dòng)，包括大腦疾病的進(jìn)展，是神經(jīng)科學(xué)家們持續關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域。而通過(guò)高性能計算，研究人員看到了更多研究潛力。

從論文中獲悉，“放大細胞和亞細胞細節以揭示神經(jīng)元連接的不同方面”在神經(jīng)學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)備受關(guān)注的課題。然而，想要實(shí)現這個(gè)連接過(guò)程難度卻是非常高的。

因此，科學(xué)家們可能會(huì )從神經(jīng)科學(xué)之外的領(lǐng)域尋求創(chuàng )造性解決方案，比如引入百億億級超級計算機。

這個(gè)目標或許會(huì )在 5 年內得以實(shí)現，屆時(shí)，兩臺擁有百億億級超強算力的計算機將被用于彌補人腦計劃數據處理上的不足。這些計算機將由歐洲高性能計算聯(lián)合企業(yè)（EuroHPC JU）收購，這也是歐盟、歐洲國家和私人合作伙伴之間的一項聯(lián)合倡議。

“大腦研究界隨時(shí)準備使用這些百億億級系統?！卑⒚纱谋硎?。

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