大脑研究正在挑战超级计算，“人脑计划”或需提前部署百亿亿级超级计算机

　　
人脑的复杂性正推动着超级计算释放更多的潜力。


据了解，人脑包含大约 860 亿个神经元，可形成数万亿个接触点。如果以细胞分辨率对整个大脑进行成像，甚至会产生数 PB 范围内的数据，这样的的计算量令人望而生畏。
在近期的 Science 上，人脑研究专家们解释了神经科学的进步为什么需要高性能计算技术，并提出进一步的脑类研究可能需要百亿亿级计算设备的协助[1]。

图 | 相关论文

　　相关论文以《大脑研究挑战超级计算》（Brain research challenges supercomputing）为题，德国神经科学家卡特琳·阿蒙茨（Katrin Amunts）以及 Jülich 超级计算中心主任托马斯·利珀特（Thomas Lippert）为共同第一作者。
“了解大脑的所有复杂性需要从多个尺度——从基因组学、细胞和突触到整个器官水平的洞察力，这意味着需要处理大量数据。”阿蒙茨表示。
据了解，阿蒙茨被誉为是世界上脑图谱领域最杰出的神经科学家之一。她不仅是 Jülich 研究中心神经科学与医学研究所主任，同时也是人脑计划（HBP）的科学研究主任。

图 | 卡特琳·阿蒙茨
人脑计划项目于 2013 年 10 月 1 日正式启动，被欧盟委员会视为“未来和新兴技术旗舰项目之一”。其目的是为大脑研究和类脑计算创建一个研究基础设施，供欧洲和其他地方的科学家使用。
人脑计划主要涵盖两个方面。一方面是非常关注认知和意识问题以及适应性架构的科学议程，从而将神经科学、大脑健康和大脑启发技术平衡到该科学计划中。另一方面是 EBRAINS 架构的开发。
起初，该项目尚未启动时资金承诺超过 10 亿欧元，为期 10 年，其中一半将由欧盟委员会提供。
然而，项目执行后不到一年，科学界就提出了抗议。100 多名研究人员致函委员会，称该项目构思和管理不当，导致委员会不得不削减预算，并引入新的管理人员。
但毋庸置疑的是，在关键数据处理上，由该项目研发出的 EBRAINS 架构正发挥着重要作用。
这其中，EBRAINS 为大脑研究人员提供了一系列工具、数据和计算服务。包括通过 Fenix 联合基础设施访问超级计算系统，该系统由欧洲领先的超级计算中心建立，作为人类大脑项目的一部分，将为大脑研究以外的社区提供服务。

图 | 大脑大数据的类型和背景中的超级计算机

　　人脑计划作为全球性组织国际大脑计划（IBI）的一部分，虽然其本身将于 2023 年到期，但预计技术基础设施和项目将继续进行，届时也许会有更多的国际参与。
该项目项目负责人表示，“我们需要与他人密切合作，以确保互操作性，这是神经科学需要采取的下一个重要步骤，以确保可重复性和可复制性。”
不过，阿蒙茨也指出，人脑的复杂程度远超想象，大脑神经回路的天文数字压倒了研究人员，高性能计算的重要性正日益彰显。
此前，有科学家提出神经科学中的四个重大挑战：神经解剖学和结构连接组学；神经群体动力学和功能连接组学；将感觉、大脑和行为联系起来；通过模拟进行综合。
这些挑战在规模上都需要高性能计算的参与。
“这是超级计算的一个激动人心的时刻，我们从神经科学界的研究人员那里收到了很多新的要求，他们需要强大的计算来解决大脑的复杂性。作为回应，我们正在开发专门用于研究大脑的新工具。”利珀特表示。
一方面，高性能计算使科学家能够长时间同时记录大量大脑信号，捕捉产生感觉、动作、认知和意识的活动模式。
另一方面，模拟大脑活动，包括大脑疾病的进展，是神经科学家们持续关注的一个领域。而通过高性能计算，研究人员看到了更多研究潜力。

　　从论文中获悉，“放大细胞和亚细胞细节以揭示神经元连接的不同方面”在神经学领域是一个备受关注的课题。然而，想要实现这个连接过程难度却是非常高的。
因此，科学家们可能会从神经科学之外的领域寻求创造性解决方案，比如引入百亿亿级超级计算机。
这个目标或许会在 5 年内得以实现，届时，两台拥有百亿亿级超强算力的计算机将被用于弥补人脑计划数据处理上的不足。这些计算机将由欧洲高性能计算联合企业（EuroHPC JU）收购，这也是欧盟、欧洲国家和私人合作伙伴之间的一项联合倡议。
“大脑研究界随时准备使用这些百亿亿级系统。”阿蒙茨表示。

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参考：

1、Katrin Amunts，Thomas Lippert . et al. Science Vol 374，Issue 6571，p. 1054-1055（2021）https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8519

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