藍腦計劃

瑞士洛桑理工學院的科學家亨利·馬卡蘭最近在巴西東北部城市那塔爾展示了他設想的“藍腦”計劃，並希望在2015年製造出“人造大腦”，以達到治療阿爾茨海默氏症和帕金森氏症的目的。[據新華社07年2月25日報道]

馬卡蘭介紹説，他的想法是“拆除之後再重建”哺乳類動物的大腦，計劃將分為幾個階段：2008年先用齧齒動物做實驗，2011年後將試圖組裝一個貓的大腦，在2015年正式組裝人類大腦之前可能還會製造獼猴的大腦。

截止09年7月，該項目已經取得了突破性進展。“藍腦計劃”組已經完成了人腦新皮層部分的神經元計算工作，並已繪製出一份3D神經元活動模擬圖。最終，科研人員希望能知曉並模擬出整個人腦的神經元的活動情況，藉此瞭解現實世界為我們帶來的感官訊息是如何破譯並儲存到人腦中的，從而揭開人類意識產生之謎。

“藍腦計劃”開始於2005年 ^[1]  ，其目的是從實驗數據逆向打造哺乳動物的大腦。研究組將重點放在皮層單元上，皮層單元是哺乳動物的大腦所獨有的結構，也叫新大腦皮層。這是一個新的大腦，哺乳動物需要它，因為它們需要處理親子關係、社會互動的複雜認知功能。從老鼠發展到人，它是如此成功，為了生成這一驚人器官，把腦結構單元數擴大了大約1000倍。這一研究仍在繼續，發展速度很快。

人腦中含有大約1000億個神經元，這些神經元能夠迅速對明媚的陽光、喇叭的鳴響、炸雞的氣味以及所有其他感覺器官獲得的刺激進行理解並做出反應。而如今，有人使用IBM的超級計算機來模擬人腦的這種機制，這項研究計劃稱之為藍腦計劃。

為了更好地理解人腦的應激反應，瑞士洛桑的研究人員啓動了一項雄心勃勃的計劃——藍腦計劃。該計劃使用了IBM的eServer Blue Gene計算機（它每秒鐘能夠進行22.8萬億次浮點運算）。藍腦計劃試圖模擬老鼠的大腦新皮質單元（NeoCortical Columns ，簡稱NCC）中10000個高度複雜的神經元行為。NCC延伸到整個大腦灰質中，執行高級的計算任務，它們的直徑為0.5mm，像蜂巢中的小格子一樣排列在大腦中。

藍腦計劃項目首席研究員Henry Markram表示，Blue Brain項目的第一個目標是在兩三年內通過軟件複製NCC，或者説設計出NCC的模板，然後根據大腦不同區域或者不同動物的大腦對這個模板進行修改，這樣就可以模擬各種各樣的NCC。

藍腦計劃所做的就是通過在神經元的層次上模擬大腦的行為，對腦實施逆向工程。研究人員計劃創建一個模型工具，可以讓其他的神經科學家當在其上做各種實驗，驗證各種假設，分析藥物的功效時比在真正的大腦上取得更高的效率。這個項目的初始目標是對構成老鼠新大腦皮層單元(皮層的主要構成模塊)的1萬個神經元及3千萬個突觸連結進行模擬。選擇新大腦皮層單元作為模擬的開始是因為它被大家公認為非常的複雜，它由很多不同的結構構成，每一個結構都包括很多的突觸和離子通道。 ^[2] 

“藍腦”工程，是在IBM擁有的超級計算機——“藍色基因”的構思基礎上，企圖應用超級計算機的高速度，來虛擬人類大腦的多種功能，比如認知、感覺、記憶等等。而基本思路是：既然要探索人腦活動的原理，就可以先從模擬人腦開始，用電腦“複製”人腦所有的活動，以及在其內部發生的各種反應。這個模型基於15年來的各種實驗數據－神經形態學，基因表達，離子通道，突觸聯接，以及很多老鼠的電生理記錄。為分析處理這些信息以及自動重建生理學正確的神經元及相應聯接的3-D模型也編制了很多相關的軟件工具。

藍腦計算機的核心設備佔據的空間其實很小，體積大概只有4台冰箱那麼大，含有8096塊處理器，每塊處理器可以模擬1~10個神經元。整套系統大約可以模擬1億個簡單神經元，相當於老鼠大腦中所包含神經元數量的一半。IBM表示，這台Blue Brain僅僅是原型產品，以後產品化的Blue Brain售價將達到上億美元。更新的Blue Gene將可以模擬10億個簡單神經元。隨着計算機運算速度的提高和內存容量的增加，模擬整個人腦的工作將可能在10年之內完成。

“藍腦”計劃的主要研究對象集中在人類思考和記憶方面，通過對大腦運行過程的精確模擬，科學家還可以揭開隱藏在精神失常背後的秘密。絕大多數科學家認為，人類思維和記憶的失常和混亂源於大腦回路中的功能損害。另外，帕金森綜合徵也是藍色大腦計劃的主要目標之一，在人類大腦的中層存在一種可以生產“多巴胺”的細胞，當這些細胞開始死亡的時候，多巴胺的產生數量就會急劇下降，而帕金森綜合徵也就隨之出現了。

這項計劃有一種“上萬神經元（每一個都不同）的軟件模型，它能讓研究人員通過數碼技術搭建一個人工皮層單元。雖然每個神經元都是獨一無二的，但是，研究人員已經發現不同大腦的線路有着共同的模式。雖然大腦有大有小，可能有不同形態的神經元，但是分享着相同的結構。這就是物種的特別之處，這可以解釋人類為什麼不能跨物種交流。

為了製作一個真實的模型，研究組需要把各種模塊和一些運算法則輸入一台超級電腦中。一個神經元的計算量需要用一台筆記本來做，所以，需要上萬枱筆記本。但是，研究使用的是一台有1萬個處理器的IBM“藍色基因”電腦。模擬大腦已經開始讓研究人員瞭解到大腦工作方式的一些線索。例如，他們能顯示出大腦的畫面並監控機器的電活性。

表現和影射的目標最終會實現，因此，研究人員可能會直接看到大腦感知世界的方式。隨着神經系統科學和哲學的發展，“藍腦”計劃還有着其他實際應用。例如，通過把世界上所有的有關動物的神經系統學資料彙集在一起，研究人員可能會建造動物模式。

對NCC的模擬將有助於理解記憶是如何存儲和提取的，揭示大腦中很多激動人心的秘密，例如記憶的形式、記憶的容量以及遺忘的原理。這項試驗還將幫助科學家搞清楚神經組織的脆弱之處，進而理解大腦功能紊亂的原理，以此來治療孤獨症、精神分裂症和抑鬱症等。此外，這項計劃如果成功，很多腦科學試驗可以通過計算機完成。一項腦科學試驗如果使用傳統方式進行可能需要一整天，但如果使用計算機模擬的大腦也許只需要幾秒鐘就能完成。

IBM還將這種計算技術用於生命科學研究，他們甚至認為生物科學在已經在一定程度上演化成了信息科學，Blue Brain技術的發展將會揭示生物體中的很多有趣現象，必須要有這樣足夠複雜的計算機系統才能模擬生物系統。IBM還認為Blue Brain項目對其他工業和科學研究領域的帶動作用將會非常巨大。例如，模擬神經網絡行為的ASIC設計方案將來可能會應用於智能設備的信息處理。另外，從更一般的意義上説，Blue Bain將推動實時數據處理的發展，而與實時數據處理對應的是離線數據處理。

而IBM研究院Blue Brain項目的負責人Charles Peck認為，模擬大腦的真正價值在於研究人員可以獲得每個神經元的數據。“雖然科學家對大腦的很多細節已經非常瞭解，但是他們仍然不知道大腦各個組成部分之間的結合方式，也不知道大腦如何思考、如何學習以及如何形成概念，”他説。其意在這項研究可以真正拉近電腦與人腦之間的距離。

研究團隊將對幾十個大腦神經元進行測試，這些神經元取自老鼠的大腦並被固定在芯片上。研究工作的內容包括檢測每個神經元的物理結構和電子特徵，以及神經元之間相互作用的方式。這台Blue Gene超級計算機是2005年7月份安裝的，8月份運行了首次模擬運行，模擬了25000個簡單神經元，運行時間只花了60s。這種模擬以前是無法完成的，在普通的計算機集羣中，哪怕模擬1000個神經元也要花好幾個星期的時間，Blue Gene在運算規模和速度上都有巨大的進步。

該計劃如能成功，那麼這個虛擬的大腦將為研究人類的認知，如感覺、記憶甚至意識提供重要的提示，這可能將是人類首次觀察到並同時模擬到我們的大腦用以反映世界的電子代碼，還可能有助於理解當大腦的“微電路”出故障時是如何引起孤獨症、精神分裂症和抑鬱症等精神上的紊亂的。

1000億=人腦中神經元的數量

3億=章魚大腦中神經元的數量

1300g=成年人類的大腦重量

90g=成年恆河猴的大腦重量

藍色大腦（Blue Brain）

峯值運算速度22.8T FLOPS

8096顆CPU，每顆運行頻率為700MHz（進行大量並行計算時頻率會降低）

每顆處理器配備256MB或者512MB內存

軟件為Linux和C++

耗電量為100KW

網絡上對“藍腦”的反應也是高潮迭起。一個彙集了很多博士的論壇網站對這項工程提出了褒貶不一的看法，包括這一工程的可行性、道德標準等等，也有不少人給出一些有參考價值的建議。還有人開起了玩笑：如果藍腦真能模擬人腦，那就應該先讓它研究美國總統布什的腦袋，因為這個腦袋相對別人的來説更簡單一些。

有些人對模擬新大腦皮層單元表示懷疑。是否是為了創造人工智能。

2009年8月11日，負責藍腦計劃的科學家宣稱，他們有望在2020年左右製造出科學史上第一台會“思考”的機器，它將可能擁有感覺、痛苦、願望甚至恐懼感。從2004年至2009年，馬克拉姆和他的研究小組已經使用世界上一些最強大的超級電腦，來模擬宇宙中已知最複雜的“物體”——哺乳動物大腦的某些功能。