一個由國際科學家組成的團隊發(fā)明了一種算法，代表著模擬人類大腦神經(jīng)連接的研究向前邁進了重要的一步。這個新算法是在Frontiers in Neuroinformatics中發(fā)表的一篇開放權限獲取論文中描述的，目的是允許在超級計算機上模擬人類大腦的1000億個互連神經(jīng)元。這項工作由Jülich研究中心、挪威生命科學大學、亞琛大學、RIKEN和KTH皇家理工學院的研究人員合作完成。

該算法使用NEST *（“神經(jīng)模擬工具”）開發(fā)，NEST是一個開放源碼仿真軟件，它被廣泛用于神經(jīng)科學界并且是歐洲人類腦計劃的核心模擬器。研究人員在一份公告中解釋說，用NEST，網(wǎng)絡中每個神經(jīng)元的行為都由少量的數(shù)學方程表示。

根據(jù)Jülich神經(jīng)科學和醫(yī)學研究所所長Markus Diesmann的說法，自2014年以來，運行于德國Jülich超級計算中心的RIKEN和JUQUEEN超級計算機上的petascale ** K超級計算機上的利用NEST進行的大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡仿真可以模擬人腦中約1％的神經(jīng)元的連接。這些模擬使用了NEST算法的先前版本。

為什么超級計算機不能模擬整個大腦或者說為什么尚且不能？ 斯德哥爾摩KTH皇家理工學院資深作家Susanne Kunkel解釋說：“在進行神經(jīng)元網(wǎng)絡模擬之前，神經(jīng)元及其連接需要虛擬創(chuàng)建?！?/span>

在模擬過程中，首先需要將神經(jīng)元的動作電位（短電脈沖）發(fā)送到所有約100,000個的稱為節(jié)點的小型計算機，每個計算機都配備有執(zhí)行實際計算的多個處理器，然后每個節(jié)點檢查所有這些脈沖中的哪一個與存在于該節(jié)點上的虛擬神經(jīng)元相關。

該過程需要整個網(wǎng)絡中每個神經(jīng)元的每個處理器有一位信息。對于十億個神經(jīng)元的網(wǎng)絡，每個節(jié)點的大部分內(nèi)存被每個神經(jīng)元的單個信息消耗掉。當然，每個神經(jīng)元的這些額外位所需的每個處理器所需的計算機內(nèi)存量隨著神經(jīng)元網(wǎng)絡的大小而增加。要超過1％并模擬整個人腦，需要每個處理器的可用內(nèi)存比現(xiàn)在的超級計算機大100倍。

在目前的千兆級超級計算機上運行的腦模擬軟件只能代表大腦皮質中約1％的神經(jīng)元連接（左圖的暗紅色區(qū)域）。在下一代百億億級超級計算機中，模擬整個人腦10％的神經(jīng)元連接（中心）將成為可能，這超過當今高端超級計算機的性能10到100倍。然而，使用與當前超級計算機相同數(shù)量的計算機內(nèi)存，一種新的算法可以在百億億級超級計算機上模擬100％人類大腦（全腦模擬）。

隨著內(nèi)存消耗的控制，模擬速度將成為主要焦點。 例如，在Jülich的超級計算機JUQUEEN上運行的由5.8萬億突觸連接的5.2億神經(jīng)元大型模擬需要28.5分鐘來計算一秒鐘的生物時間。研究人員計算，使用改進的算法，時間將縮短到僅5.2分鐘。

Diesmann說：“百億億次計算速度的硬件和[即將推出的NEST]軟件的結合帶來了對大腦功能基本方面的研究，如可塑性和學習，在生物學時間的數(shù)分鐘內(nèi)展開，將在我們的研究范圍之內(nèi)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，新算法還將使目前可用的petascale超級計算機的模擬速度更快。

在Neural Simulation Technology Initiative的發(fā)布的下一個模擬軟件版本中，研究人員將免費向社區(qū)研究人員提供新的開源代碼。

這是第一次，研究人員將擁有模擬整個人類大腦規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡的計算能力。

沖繩縣科學技術研究所（OIST）的Kenji Doya可能是最早嘗試它的人之一。他說 “我們一直在K計算機上用NEST來模擬健康和帕金森病中基底節(jié)環(huán)路的復雜動力學。我們很高興聽到關于新一代NEST的消息，這將使我們能夠在后K計算機上運行全腦模擬，以闡明運動控制和心理功能的神經(jīng)機制?！?/span>

注釋：

*NEST是針對神經(jīng)網(wǎng)絡模型的模擬器，專注于神經(jīng)系統(tǒng)的動力學，大小和結構，而不是單個神經(jīng)元的確切形態(tài)。NEST適用于任何規(guī)模的峰值神經(jīng)元網(wǎng)絡，如信息處理模型，如哺乳動物的視覺或聽覺皮層，網(wǎng)絡活動動力學模型（如層狀皮質網(wǎng)絡或平衡隨機網(wǎng)絡）以及學習和可塑性模型。

**Petascale超級計算機的運行速度為每秒百萬億次浮點運算（每秒10¹⁵浮點運算）。未來的E級超級計算機將以每秒百億億次的速度（10¹⁸flop / s）運行。目前最快的超級計算機是中國無錫國家超級計算中心的Sunway TaihuLight，運行速度達到每秒9千3 百萬億次。

***在Jülich，這項工作得到了仿真實驗室神經(jīng)科學的支持，該實驗室是Jülich超級計算中心的伯恩斯坦網(wǎng)絡計算神經(jīng)科學設施。 部分資金來自歐盟第七框架計劃（Human Brain Project，HBP）和歐盟地平線2020研究與創(chuàng)新計劃，以及對后K計算機的探索性挑戰(zhàn)（了解思想的神經(jīng)機制及其在人工智能中的應用） 日本文部科學?。∕EXT）。通過他們在日本和歐洲之間的聯(lián)合項目，研究人員希望為建立國際大腦倡議（IBI）做出貢獻。