藍色大腦

為了這一天的到來，馬克萊姆已經做了長期的準備。早在十餘年前，他就在這一領域深耕細作，到了2002年，他在理工學院創立了大腦與思維研究所。在長期的研究過程中，他和研究小組積累了大量數據，並構建了世界上最大的大腦皮層神經結構的數據庫，這為的藍色大腦的建造做好了充分的彩排。

在馬克萊姆的領導下，藍色大腦計劃聯合了生物學家和計算機科學家的力量。他們的第一步是利用國際商用機器公司（IBM）出品的藍色基因S系列 （Blue Gene/S）超級計算機來對小鼠的新皮層進行模擬。這一數據運算“怪獸”處於峯值時，理論上每秒鐘可以進行22.8萬億次浮點運算，足以擠進世界超級計 算機排行榜的前15位。

此時的藍色大腦體積大約有4台冰箱大小，一共整合了8096顆CPU，每顆CPU的運行頻率為700MHz，功耗達到100千瓦。此外科學家還為每 顆CPU配備了256或512M的內存，在Liunx的操作系統下，每個處理器可以模擬出一到兩萬個神經元的活動情況。因此形象的説，這就是一個擁有電子化神經元且基於硅元素的模擬大腦。

大腦組織的80%是由皮質組成的，記憶、思考、移情、交流、適應新環境以及計劃未來都有賴於大腦皮質。這一區域不但是哺乳動物大腦中最為複雜的部分，同時其中的新皮質還是將哺乳動物與爬行動物區分開來的重要標誌。

在數以億萬計的神經元之間，通過交聯成網的突觸，它們彼此密切地傳遞收發着信息。大約每1萬個神經元組成一個0.5毫米寬，2毫米高的柱狀基本功能單位。 這些結構相似的功能單位，以複雜但有規律的形式排列連接在一起，讓人聯想到計算機芯片上的一個個晶體管。如此結構非常適合利用計算機來模擬。

由於人和小鼠的大腦皮層結構非常相似，其間一個大的區別在於前者包含的基本功能單位遠多於後者，另外以現有的技術水平，可以模擬出包含1億個神經元的大腦，這一數量級與兩週齡小鼠的大腦相似，因此這項研究選擇了小鼠的新皮層作為模擬對象。

擺在研究者面前的第一個任務是實現對神經元的模擬。以往的研究表明神經元的形狀和精細結構對其功能的行使有着很大影響。不過對此，科學家早有準備，自從這些結構被發現以來，有關神經元形態和電學行為的數據已經積累了很多，這時候正好派上了用場。

神經元並非一個個孤立的個體，藉由種種電信號的互聯交通，它們才能成為大腦的有機組成部分，因此成功模擬這些溝通信號是藍色大腦成功的關鍵。實現這一目標的前提是對大腦有着廣泛而堅實的研究基礎，比如我們需要對大量皮質細胞類型的組成、密度以及分佈有着透徹的瞭解。另外借助樹突和軸突，每個神經元會與其周圍數千個神經元發生信息來往，一旦要模擬這種狀況，將會涉及到大量的運算，這對計算機硬件性能提出了近乎苛刻的高要求。

攻克上述兩個難關之後，剩下的就是在細胞水平上對柱狀基本功能單位的模擬。有了前面的基礎，理論上這一步似乎水到渠成，不過由於計算機性能的限制， 建模過程依然耗費了科學家很長時間。在模型框架搭建完成之後，研究人員需要長時間的進行測試，比如通過人工手段引入一些刺激，觀察模型的反應，並與小鼠的大腦進行比較。如果二者間沒有大的偏差，才能進入到下一步的建模。

作為自然界最為複雜的器官，大腦藴藏了無數人們迫切想要知道的秘密。意識源自何處，知覺怎樣產生，大腦是如何處理外界刺激，記憶的機制是怎樣的， 孤獨、抑鬱、精神分裂以及老年痴呆症，這些疾病的病因隱藏在哪裏？種種有關大腦的問題吸引了一代又一代科學家投身於這一領域的研究。

雖然到目前為止，藍色大腦只是完成了小鼠一部分新皮層的模擬，但這一進步依然讓科學家欣喜若狂，不過他們並未止步於此。在下一步的研究計劃中，研究人員已經開始打算利用這一模型探索有關大腦的種種謎題。

現代腦科學誕生100多年來，人們對大腦的認識越來越深入，但研究愈深入，前進的步伐也就愈慢，主要障礙在於研究手段的匱乏。藍色大腦的橫空出世為 測試、驗證和發展這些成果提供了一個極好的工作模型。比如大腦皮層的信息處理過程一直是一個困擾科學家的難題。在藍色大腦的幫助下，我們不僅可以進一步的 理解神經元、突觸、離子通道以及受體的功能，對學習、記憶以及獎賞等大腦生理過程的認識也將更為深入。

針對大腦疾病的藥物的研發是科學家關注的另一個焦點。神經組織的脆弱點在哪裏，大腦功能的紊亂原因何在？按照傳統的實驗方法，多以老鼠或兔子為研究 對象。馬克萊爾透露，這些方法複雜到難以想象的程度。一些並不繁瑣的研究不但耗時長達數年之久，花費更是動輒超過上億美元。有科學家推測，過去需要幾年時 間才能完成的課題，藉助藍色大腦力量，或許在一天之內即可搞定。以帕金森綜合徵為例，這種疾患的病因在於大腦中產生多巴胺的細胞大量死亡，導致多巴胺水平 急劇下降，繼而引發病症。如果能給藍色大腦施加相應刺激，再現這種疾病的發病過程，那麼科學家研發相關藥物時就可更加有的放矢。

此外，大腦實時活動情況的二維、三維成像，大腦功能的分子模型以及全腦功能的模擬，這些科學家們夢寐以求想要解決的問題在藍色大腦的助力之下都有可能逐一被攻克。

藍色大腦計劃的I期工程證明大腦模擬的思路是可行的，不過這一步的成功完成只是萬里長征的第一步。在系列電影《終結者》中，植入到智能機器人T800 和T1000中的計算機芯片能夠像真人一樣進行判斷推理。考慮到技術以及倫理的因素，想要達到這種水平的模擬，研究者尚無此奢望。

就目前而言，藍色大腦計劃並非是想創造一個大腦，儘管有朝一日利用藍色大腦，科學家或可從中洞悉到智能與意識的奧秘，但這一計劃的初衷與人工智能的確什麼關係，它關注的焦點在於生物醫學的應用。

科學家的下一個“野心”是基本實現人類大腦的模擬。成年人的大腦重約1300克，由1000億個神經元組成。這一數目是I期藍色大腦的1000倍。這意味着模擬人腦的藍色大腦複雜性要高得多。IBM已經打算將下一代超級計算機——藍色基因P系列投入到這項研究中，加之IT業依然有效的摩爾定律，據馬克萊姆估計，只需需十年時間，我們就可以看到完成這項艱鉅任務曙光。

IBM研究院藍色大腦的負責人查爾斯·佩克（Charles Peck）認為，大腦模擬的真正意義在於，研究者可以得到一個複雜大腦系統中單個神經元的活動情況。考慮到生命科學研究與信息科學已經越來越密不可分，而且生命系統是一個更為複雜的體系，IBM還打算將這種計算機模擬技術應用到這一領域研究。

雖然誕生伊始的藍色大腦的“發育”還算順利，不過自從哺乳動物和爬行動物在進化上分道揚鑣以來，前者的大腦已經足足進化了2億年之久。大自然的鬼斧神工遠遠超過人的想象，大腦的複雜程度同樣也是這樣。藍色大腦的硬件基礎——計算機的速度和複雜程度——在不遠的將來或許就可滿足要求，但如何讓藍色大腦更加形神兼備恐怕是一個更加艱鉅的目標。