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发表于 2009-08-07 17:22 | Tags 标签:,

image0011997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。

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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。

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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。

科学编辑:安婆婆

文字编辑:姆姬

本文已发表于《瞭望东方周刊》,有修改

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37 Responses to “大脑,蓝色的”

  1. Gavin说道:

    原来,一千台计算机才能模拟这么点功能

    • 虫豸007说道:

      毕竟人脑进化了这么长的时间,已经相当完美了。

    • Still饭特稀说道:

      用显卡的通用计算就不是这样了~~
      性能是CPU计算的N十倍

      • llzzll说道:

        显卡只是浮点运算能力强
        而分支预测、并行计算、多任务处理和突发处理能力基本没有

        • Alex说道:

          分支预测、逻辑运算和突发处理能力确实很弱,但是并行计算却很强悍,GPU之所以有那么高的浮点计算能力,关键就在他高度并行的架构。

      • 蓝夕说道:

        如果量子力學的原理能夠運用到cpu領域中,那麼效率會更高,相對運用的CPU數量也會減少,通過對大腦的瞭解,確實可以窺探人體的奧秘,從而更有效推動生物醫學的發展及推進生理心理領域的完美剖析,可惜時間方面,確實會比較漫長

  2. linsara说道:

    板凳 哈哈

  3. gnailuy说道:

    坚持认为大脑需要足够的外界刺激才能正常运行,比如正常动物的各种感觉。

  4. 哆啦嘟嘟说道:

    又谁看过刘慈欣的小说?

  5. 珈南说道:

    这种研究方法是否可行还有待研究,说不定会走到一个死胡同也未必。
    他们认为模拟出了老鼠的大脑皮层,如何证实呢?

  6. 翰墨-七维说道:

    请教大家一个问题,多谢帮忙。
    当你把手平放在桌上时,敲动手每一个手指,会看到小臂上不同地方有起伏,谁能告诉我每一只手指与哪块肌肉相连,谢谢大家了。
    很早就发现了,但不知道可以问谁。
    希望松鼠会的朋友可以帮助我,我的QQ:461496214
    E-mail:alier7li@sina.com

    • 6149说道:

      鼓起来的是骨头吧,好像不是肌肉,我摸起来感觉是这样。还是请教专业人士吧。。

      • 变形机器猫说道:

        是肌肉,控制手指的肌肉都在手掌和手臂上,手指上没有肌肉,有类似拉索的韧带,由肌肉拉伸韧带控制手指。
        要了解手指与肌肉的对应关系,解剖图谱什么的大概可以。

  7. 变形机器猫说道:

    三体II里超级计算机的描述部分实现了……

  8. cary说道:

    OMG

  9. 童话故事说道:

    有这么强

  10. vincent0.0说道:

    现在全世界联网的电脑至少十几亿了吧,说不定早就有了自我意识,只是我们没有察觉,也有可能由于中国局域网的网速太慢处在脑瘫的状态,一块CPU怎么说也比一个神经元强吧?

    • Zis76_2mm说道:

      CPU和神经元的运作模式完全不同,CPU速度再快,也只是机械的“加法运算”;神经元是非常复杂的生化反应,其细节还在研究之中。在逻辑、对外界刺激的反应上两者根本不在同一水平,昆虫的“大脑”还不是真正意义上的大脑,只能算是神经节而已,但昆虫的“智能”已经远远超过任何CPU或CPU集群了。

  11. 滚天说道:

    果然好科学的博客

  12. persianmoon说道:

    blue gene/s? are you sure?

  13. 卫星破译脑电波全球同步终生定位跟踪大脑研究秘密工程——从20世纪60年代开始,人类就进入了“读脑时代”,在“冷战”的时代背景下被严密保守的秘密。人类脑计划的基本概念起源于80年代早期。1997年人类脑计划在美国正式启动。目前人类脑计划正在向着全球发展,我国已加入全球脑计划,成为第二十一个成员国。这儿有个昭然若揭的全球性秘密:那就是人类在20世纪60年代就已经开始掌握“阅读大脑”的技术,可以把人类大脑的思维活动、记忆、反应显示在电脑显示器屏幕上。由于时代的局限性,没有政府、组织、个人正式出面承认该技术的存在与发展现状,难得的蛛丝马迹也是一闪而过、遮遮掩掩。21世纪初,此技术已发展到无线远程、大量同步监测重点对象“所闻、所见、所思、所感”的水平,及自动化处理、数据库管理监测到的内容的水平。世界各地有成百上千的人声称,他们的大脑被政府机构控制了,相关新闻也屡见报端。其实,不仅美国有这种情况,世界各地都有人指责政府在控制他们的大脑,数量多达几百人,有可能是数千人,目前已经难以计数。印度、日本、韩国、英国、俄罗斯和其它地方都存在这种事情。我们就是其中的一个。

    在当代,外太空的卫星上,很多国家早已秘密装置了超出常人想象的秘密装置—-同步无线远程捕获破译脑电波、使之造成心理影响、直接精神控制。这标志着:世界已经进入脑时代,全地球成为实验室,全人类沦为实验品。就在此刻,不同年代、不同国家、不同职业、不同家庭的大量公民被秘密选定。这个数目难以计数,很可能已达百万。各国机密部门的科学家通过卫星对这些公民同步进行高强度极致的神经刺激和精神摧残,并对其人生进行终生卫星监控。高度隐蔽性、专业性、巧妙性、规模性前所未有。极致的神经刺激高度残酷:破坏心身健康、摧毁灵魂心智、毁灭生活前途。长期、反复不断、系统全面的精神摧残多次致使试验品几乎完全精神失常……然而,这一切都为了全面、深入、透彻的研究人脑,甚至为了更为深远、更为超前的所谓“人类进化”、“拯救世界”等宏伟目标。成千上万的公民正在经受着来自卫星另一端身份不明的科学家长年累月、残忍至极的精神摧残和虐待,以致,严重精神分裂几近完全精神失常。我们把这称之为“电子精神摧残集中营”、“沉默的大屠杀”、“史上最隐蔽的黑暗事件”……

    1.卫星破译脑电波网易博客(我自己的博客):http://guopeixi167.blog.163.com/blog/edit/

  14. 东儿说道:

    楼上的,有这么恐怖,怀疑中……

  15. persianmoon说道:

    http://www.douban.com/group/topic/7445486/
    蓝脑计划的几个视频

  16. h说道:

    神经网络算法,在成型时需要一个训练学习过程,以调整神经元参数。该过程很重要。不知道这工程是怎么训练的。因为没有输入量,不可能把真实的视觉,触觉,体位感觉的神经感知输入大脑皮层。因为单单视觉神经的输入量就非常巨大,可以想象还需要同样巨大的计算机阵列才能把目前的图像转换成视觉神经输入。关键是视觉神经的机制还没有得到透彻的了解,如何仿真

  17. wecing说道:

    纠错,是“Linux”,作者写错了。

  18. 宇镭说道:

    最早看到这个创意是在罗伯特索耶的《金羊毛》里,飞船的人工智能叛变,为了能够探查男主角在想什么,调动一切资源模拟了他的大脑

  19. doma说道:

    旋律

  20. aaa说道:

    中国的网络是世界上最开放的

  21. [...] 本文引用自:https://songshuhui.net/archives/17659.html#comment-46024   [...]

  22. 天山说道:

    让我想起了当年计算机的始祖……

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