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大脑，蓝色的
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1997年8月4日，天网系统上线，它迅速地领会了所有的人类知识并接管了战略防御系统。到了2004年7月24日，彻底觉醒的天网开始指挥全世界的核弹 向人类自身发起攻击，由此揭开了审判日的序幕。时至2009年7月，科学家将上千颗高性能中央处理器（CPU）组合在一起，使得旨在探索大脑奥秘的蓝色大脑计划取得了初步成果。 看到这里，或许有人感到上述内容似曾相识但又没什么逻辑联系。没错，因为前一段儿是系列电影《终结者》中的情节，而蓝色大脑计划则是现实世界中真真切切发生的事情。 蓝色大脑呱呱坠地 蓝色大脑计划奠基于2005年5月，由瑞士洛桑联邦高等理工学院的神经科学家亨利·马克莱姆（Henry Markram）主持进行。它的目的在于基于反向工程（reverse engineering）的手段，利用高性能计算机在分子水平上模拟出一个人造大脑， 从而帮助我们理解大脑的结构与功能，并将其应用于生物医学领域。2009年7月22日，马克莱姆在科技、娱乐与设计（TED）大会上发表演讲时宣布，蓝色大脑计划的I期工程已经初步完成。 为了这一天的到来，马克莱姆已经做了长期的准备。早在十余年前，他就在这一领域深耕细作，到了2002年，他在理工学院创立了大脑与思维研究所。在长期的研究过程中，他和研究小组积累了大量数据，并构建了世界上最大的大脑皮层神经结构的数据库，这为的蓝色大脑的建造做好了充分的彩排。 在马克莱姆的领导下，蓝色大脑计划联合了生物学家和计算机科学家的力量。他们的第一步是利用国际商用机器公司（IBM）出品的蓝色基因S系列 （Blue Gene/S）超级计算机来对小鼠的新皮层进行模拟。这一数据运算“怪兽”处于峰值时，理论上每秒钟可以进行22.8万亿次浮点运算，足以挤进世界超级计 算机排行榜的前15位。 此时的蓝色大脑体积大约有4台冰箱大小，一共整合了8096颗CPU，每颗CPU的运行频率为700MHz，功耗达到100千瓦。此外科学家还为每 颗CPU配备了256或512M的内存，在Liunx的操作系统下，每个处理器可以模拟出一到两万个神经元的活动情况。因此形象的说，这就是一个拥有电子化神经元且基于硅元素的模拟大脑。 蓝色大脑如何“思考” 大脑组织的80%是由皮质组成的，记忆、思考、移情、交流、适应新环境以及计划未来都有赖于大脑皮质。这一区域不但是哺乳动物大脑中最为复杂的部分，同时其中的新皮质还是将哺乳动物与爬行动物区分开来的重要标志。 在数以亿万计的神经元之间，通过交联成网的突触，它们彼此密切地传递收发着信息。大约每1万个神经元组成一个0.5毫米宽，2毫米高的柱状基本功能单位。 这些结构相似的功能单位，以复杂但有规律的形式排列连接在一起，让人联想到计算机芯片上的一个个晶体管。如此结构非常适合利用计算机来模拟。 由于人和小鼠的大脑皮层结构非常相似，其间一个大的区别在于前者包含的基本功能单位远多于后者，另外以现有的技术水平，可以模拟出包含1亿个神经元的大脑，这一数量级与两周龄小鼠的大脑相似，因此这项研究选择了小鼠的新皮层作为模拟对象。 摆在研究者面前的第一个任务是实现对神经元的模拟。以往的研究表明神经元的形状和精细结构对其功能的行使有着很大影响。不过对此，科学家早有准备，自从这些结构被发现以来，有关神经元形态和电学行为的数据已经积累了很多，这时候正好派上了用场。 神经元并非一个个孤立的个体，藉由种种电信号的互联交通，它们才能成为大脑的有机组成部分，因此成功模拟这些沟通信号是蓝色大脑成功的关键。实现这一目标的前提是对大脑有着广泛而坚实的研究基础，比如我们需要对大量皮质细胞类型的组成、密度以及分布有着透彻的了解。另外借助树突和轴突，每个神经元会与其周围数千个神经元发生信息来往，一旦要模拟这种状况，将会涉及到大量的运算，这对计算机硬件性能提出了近乎苛刻的高要求。 攻克上述两个难关之后，剩下的就是在细胞水平上对柱状基本功能单位的模拟。有了前面的基础，理论上这一步似乎水到渠成，不过由于计算机性能的限制， 建模过程依然耗费了科学家很长时间。在模型框架搭建完成之后，研究人员需要长时间的进行测试，比如通过人工手段引入一些刺激，观察模型的反应，并与小鼠的大脑进行比较。如果二者间没有大的偏差，才能进入到下一步的建模。 蓝色大脑能干些什么？ 作为自然界最为复杂的器官，大脑蕴藏了无数人们迫切想要知道的秘密。意识源自何处，知觉怎样产生，大脑是如何处理外界刺激，记忆的机制是怎样的， 孤独、抑郁、精神分裂以及老年痴呆症，这些疾病的病因隐藏在哪里？种种有关大脑的问题吸引了一代又一代科学家投身于这一领域的研究。 虽然到目前为止，蓝色大脑只是完成了小鼠一部分新皮层的模拟，但这一进步依然让科学家欣喜若狂，不过他们并未止步于此。在下一步的研究计划中，研究人员已经开始打算利用这一模型探索有关大脑的种种谜题。 现代脑科学诞生100多年来，人们对大脑的认识越来越深入，但研究愈深入，前进的步伐也就愈慢，主要障碍在于研究手段的匮乏。蓝色大脑的横空出世为 测试、验证和发展这些成果提供了一个极好的工作模型。比如大脑皮层的信息处理过程一直是一个困扰科学家的难题。在蓝色大脑的帮助下，我们不仅可以进一步的 理解神经元、突触、离子通道以及受体的功能，对学习、记忆以及奖赏等大脑生理过程的认识也将更为深入。 针对大脑疾病的药物的研发是科学家关注的另一个焦点。神经组织的脆弱点在哪里，大脑功能的紊乱原因何在？按照传统的实验方法，多以老鼠或兔子为研究 对象。马克莱尔透露，这些方法复杂到难以想象的程度。一些并不繁琐的研究不但耗时长达数年之久，花费更是动辄超过上亿美元。有科学家推测，过去需要几年时 间才能完成的课题，借助蓝色大脑力量，或许在一天之内即可搞定。以帕金森综合征为例，这种疾患的病因在于大脑中产生多巴胺的细胞大量死亡，导致多巴胺水平 急剧下降，继而引发病症。如果能给蓝色大脑施加相应刺激，再现这种疾病的发病过程，那么科学家研发相关药物时就可更加有的放矢。 此外，大脑实时活动情况的二维、三维成像，大脑功能的分子模型以及全脑功能的模拟，这些科学家们梦寐以求想要解决的问题在蓝色大脑的助力之下都有可能逐一被攻克。 终结者或成现实？ 蓝色大脑计划的I期工程证明大脑模拟的思路是可行的，不过这一步的成功完成只是万里长征的第一步。在系列电影《终结者》中，植入到智能机器人T800 和T1000中的计算机芯片能够像真人一样进行判断推理。考虑到技术以及伦理的因素，想要达到这种水平的模拟，研究者尚无此奢望。 就目前而言，蓝色大脑计划并非是想创造一个大脑，尽管有朝一日利用蓝色大脑，科学家或可从中洞悉到智能与意识的奥秘，但这一计划的初衷与人工智能的确什么关系，它关注的焦点在于生物医学的应用。 科学家的下一个“野心”是基本实现人类大脑的模拟。成年人的大脑重约1300克，由1000亿个神经元组成。这一数目是I期蓝色大脑的1000倍。这意味着模拟人脑的蓝色大脑复杂性要高得多。IBM已经打算将下一代超级计算机——蓝色基因P系列投入到这项研究中，加之IT业依然有效的摩尔定律，据马克莱姆估计，只需需十年时间，我们就可以看到完成这项艰巨任务曙光。 IBM研究院蓝色大脑的负责人查尔斯·佩克（Charles Peck）认为，大脑模拟的真正意义在于，研究者可以得到一个复杂大脑系统中单个神经元的活动情况。考虑到生命科学研究与信息科学已经越来越密不可分，而且生命系统是一个更为复杂的体系，IBM还打算将这种计算机模拟技术应用到这一领域研究。 虽然诞生伊始的蓝色大脑的“发育”还算顺利，不过自从哺乳动物和爬行动物在进化上分道扬镳以来，前者的大脑已经足足进化了2亿年之久。大自然的鬼斧神工远远超过人的想象，大脑的复杂程度同样也是这样。蓝色大脑的硬件基础——计算机的速度和复杂程度——在不远的将来或许就可满足要求，但如何让蓝色大脑更加形神兼备恐怕是一个更加艰巨的目标。 心理学认为蓝色有时代表忧郁，然而在蓝色大脑计划的折射之下，这种颜色一扫深沉静谧，焕发出欢快、灵动的炫目光彩。 |
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