大腦研究正在挑戰(zhàn)超級(jí)計(jì)算，“人腦計(jì)劃”或需提前部署百億億級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)

據(jù)了解，人腦包含大約 860 億個(gè)神經(jīng)元，可形成數(shù)萬(wàn)億個(gè)接觸點(diǎn)。如果以細(xì)胞分辨率對(duì)整個(gè)大腦進(jìn)行成像，甚至?xí)a(chǎn)生數(shù) PB 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，這樣的的計(jì)算量令人望而生畏。

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

相關(guān)論文以《大腦研究挑戰(zhàn)超級(jí)計(jì)算》（Brain research challenges supercomputing）為題，德國(guó)神經(jīng)科學(xué)家卡特琳·阿蒙茨（Katrin Amunts）以及 Jülich 超級(jí)計(jì)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(fù)雜性需要從多個(gè)尺度——從基因組學(xué)、細(xì)胞和突觸到整個(gè)器官水平的洞察力，這意味著需要處理大量數(shù)據(jù)?！卑⒚纱谋硎?。

據(jù)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(yī)學(xué)研究所主任，同時(shí)也是人腦計(jì)劃（HBP）的科學(xué)研究主任。

人腦計(jì)劃項(xiàng)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(xiàng)目之一”。其目的是為大腦研究和類腦計(jì)算創(chuàng)建一個(gè)研究基礎(chǔ)設(shè)施，供歐洲和其他地方的科學(xué)家使用。

人腦計(jì)劃主要涵蓋兩個(gè)方面。一方面是非常關(guān)注認(rèn)知和意識(shí)問(wèn)題以及適應(yīng)性架構(gòu)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(jì)劃中。另一方面是 EBRAINS 架構(gòu)的開發(fā)。

起初，該項(xiàng)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(xiàng)目執(zhí)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)，稱該項(xiàng)目構(gòu)思和管理不當(dāng)，導(dǎo)致委員會(huì)不得不削減預(yù)算，并引入新的管理人員。

但毋庸置疑的是，在關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理上，由該項(xiàng)目研發(fā)出的 EBRAINS 架構(gòu)正發(fā)揮著重要作用。

這其中，EBRAINS 為大腦研究人員提供了一系列工具、數(shù)據(jù)和計(jì)算服務(wù)。包括通過(guò) Fenix 聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)施訪問(wèn)超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)由歐洲領(lǐng)先的超級(jí)計(jì)算中心建立，作為人類大腦項(xiàng)目的一部分，將為大腦研究以外的社區(qū)提供服務(wù)。

人腦計(jì)劃作為全球性組織國(guó)際大腦計(jì)劃（IBI）的一部分，雖然其本身將于 2023 年到期，但預(yù)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施和項(xiàng)目將繼續(xù)進(jìn)行，屆時(shí)也許會(huì)有更多的國(guó)際參與。

該項(xiàng)目項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示，“我們需要與他人密切合作，以確?；ゲ僮餍裕@是神經(jīng)科學(xué)需要采取的下一個(gè)重要步驟，以確保可重復(fù)性和可復(fù)制性?！?br />
不過(guò)，阿蒙茨也指出，人腦的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超想象，大腦神經(jīng)回路的天文數(shù)字壓倒了研究人員，高性能計(jì)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(zhàn)：神經(jīng)解剖學(xué)和結(jié)構(gòu)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(zhàn)在規(guī)模上都需要高性能計(jì)算的參與。

“這是超級(jí)計(jì)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(qiáng)大的計(jì)算來(lái)解決大腦的復(fù)雜性。作為回應(yīng)，我們正在開發(fā)專門用于研究大腦的新工具?！崩晏乇硎?。

一方面，高性能計(jì)算使科學(xué)家能夠長(zhǎng)時(shí)間同時(shí)記錄大量大腦信號(hào)，捕捉產(chǎn)生感覺(jué)、動(dòng)作、認(rèn)知和意識(shí)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(xù)關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域。而通過(guò)高性能計(jì)算，研究人員看到了更多研究潛力。

從論文中獲悉，“放大細(xì)胞和亞細(xì)胞細(xì)節(jié)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(xiàn)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?qū)で髣?chuàng)造性解決方案，比如引入百億億級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)。

這個(gè)目標(biāo)或許會(huì)在 5 年內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)，屆時(shí)，兩臺(tái)擁有百億億級(jí)超強(qiáng)算力的計(jì)算機(jī)將被用于彌補(bǔ)人腦計(jì)劃數(shù)據(jù)處理上的不足。這些計(jì)算機(jī)將由歐洲高性能計(jì)算聯(lián)合企業(yè)（EuroHPC JU）收購(gòu)，這也是歐盟、歐洲國(guó)家和私人合作伙伴之間的一項(xiàng)聯(lián)合倡議。

“大腦研究界隨時(shí)準(zhǔn)備使用這些百億億級(jí)系統(tǒng)?！卑⒚纱谋硎?。

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