大腦研究正在挑戰(zhàn)超級計算，“人腦計劃”或需提前部署百億億級超級計算機

據(jù)了解，人腦包含大約 860 億個神經(jīng)元，可形成數(shù)萬億個接觸點。如果以細胞分辨率對整個大腦進行成像，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)的進步為什么需要高性能計算技術(shù)，并提出進一步的腦類研究可能需要百億億級計算設(shè)備的協(xié)助[1]。

相關(guān)論文以《大腦研究挑戰(zhàn)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(fù)雜性需要從多個尺度——從基因組學(xué)、細胞和突觸到整個器官水平的洞察力，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，被歐盟委員會視為“未來和新興技術(shù)旗艦項目之一”。其目的是為大腦研究和類腦計算創(chuàng)建一個研究基礎(chǔ)設(shè)施，供歐洲和其他地方的科學(xué)家使用。

人腦計劃主要涵蓋兩個方面。一方面是非常關(guān)注認知和意識問題以及適應(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)計劃中。另一方面是 EBRAINS 架構(gòu)的開發(fā)。

起初，該項目尚未啟動時資金承諾超過 10 億歐元，為期 10 年，其中一半將由歐盟委員會提供。

然而，項目執(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，稱該項目構(gòu)思和管理不當(dāng)，導(dǎo)致委員會不得不削減預(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)和計算服務(wù)。包括通過 Fenix 聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)施訪問超級計算系統(tǒng)，該系統(tǒng)由歐洲領(lǐng)先的超級計算中心建立，作為人類大腦項目的一部分，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(yù)計技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施和項目將繼續(xù)進行，屆時也許會有更多的國際參與。

該項目項目負責(zé)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)需要采取的下一個重要步驟，以確保可重復(fù)性和可復(fù)制性。”

不過，阿蒙茨也指出，人腦的復(fù)雜程度遠超想象，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)群體動力學(xué)和功能連接組學(xué)；將感覺、大腦和行為聯(lián)系起來；通過模擬進行綜合。

這些挑戰(zhàn)在規(guī)模上都需要高性能計算的參與。

“這是超級計算的一個激動人心的時刻，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，高性能計算使科學(xué)家能夠長時間同時記錄大量大腦信號，捕捉產(chǎn)生感覺、動作、認知和意識的活動模式。

另一方面，模擬大腦活動，包括大腦疾病的進展，是神經(jīng)科學(xué)家們持續(xù)關(guān)注的一個領(lǐng)域。而通過高性能計算，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(jié)以揭示神經(jīng)元連接的不同方面”在神經(jīng)學(xué)領(lǐng)域是一個備受關(guān)注的課題。然而，想要實現(xiàn)這個連接過程難度卻是非常高的。

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

這個目標(biāo)或許會在 5 年內(nèi)得以實現(xiàn)，屆時，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(shù)據(jù)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。

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

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