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大脑模拟

大脑模拟是指对完整或部分的大脑进行功能性的电脑建模。若要对大脑（或大脑子系统）建模，就要同时对神经元的电学性质和体化学性质（如细胞外血清素梯度）进行建模以及目标生物的神经连接组模型。神经连接组极其复杂，详细连接方式尚不明了；因此目前正透过蓝脑计划等专案在小型哺乳动物中进行实验模拟。

世界各地的各种模拟已全部或部分以开源形式发布，如C. elegans[1]和蓝脑计划展示。

蓝脑计划想要对哺乳动物皮层柱建立下至分子等级的电脑模拟。[2]根据一项估计，使用蓝脑计划的方法对人类连接组进行全面重建将需要zettabyte的资料储存量。在2013年，人脑计划建立了脑模拟平台（Brain Simulation Platform，BSP），这是可透过互联网存取，为了模拟大脑模型而设计的协作平台，。人脑计划运用了蓝脑计划所使用的技术，并在此基础上改进。[3]

大脑模拟计划是为了促进对大脑的全面理解，并在最终协助改进治疗和诊断脑部疾病的流程。 [4]

秀丽隐杆线虫（蛔虫） 编辑

 
秀丽隐杆线虫302个神经元的大脑图谱，由5000个突触相互连接而成。

秀丽隐杆线虫（蛔虫）的触觉敏感性的神经回路连通图在1985 年[5]绘制完成，并在 1993 年进行了部分模拟。[6]自 2004 年以来已有许多完整的神经及肌肉系统的软件模拟开发完成，包括蠕虫的物理环境模拟，其中有一些模型可供下载。[7] [8]然而，对于在这种相对简单的生物体中，神经元及其连接是如何产生令人惊讶的一系列复杂行为，这方面的理解仍付之阙如。[9] [10]整体大脑功能有着过度的复杂性，与所绘相邻神经元之间相互作用的简单性呈鲜明对比，这种反差就是涌现属性的一个例子，[11]涌现在人工神经网络中有平行的特性，与它们往往很复杂的抽象输出相比，人工神经网络的神经元则极其简单。

果蝇神经系统 编辑

果蝇的大脑也已被彻底研究，其模拟模型提供了一个独特的同胞神经元模型。[12]

老鼠大脑成像和类比 编辑

亨利·马克拉姆在1995年至2005年间绘制了老鼠大脑中的神经元类型及其连结图。[来源请求]

2006年12月，[13]蓝脑计划完成了对老鼠新皮层柱的模拟。新皮层柱被认为是新皮层最小的功能单元。新皮层是大脑的一部分，被认为是负责如意识思维等高阶功能，老鼠大脑中含有10000个神经元（和10 8个突触）。2007年11月，[14]该计划报告结束了第一阶段，并提供了一个依照数据处理的流程，用于建立、验证和研究新皮层柱。

2007年，内华达大学的研究团队在IBM的超级电脑蓝色基因上执行了“与半颗老鼠大脑一样大、一样复杂的 ”人工神经网络[15]。每模拟一秒钟的时间需花费十秒钟的计算时间。研究人员声称观察到了“与生物学一致的”神经冲动在虚拟大脑皮层流过。然而，该模拟缺乏了在真实老鼠大脑中看到的结构，而且他们还打算改进神经元和突触模型的准确性。[16]

蓝脑和老鼠 编辑

蓝脑计划是IBM和瑞士洛桑联邦理工学院于2005年5月发起的一项计划。计划之目的在于，在分子等级之上建立对哺乳动物皮层柱的电脑模拟[2]。该项计划使用了基于IBM蓝色基因所设计的超级电脑，根据神经元的突触连接性和离子渗透性来模拟神经元的电性行为。该计划试图最终了解人类认知，以及由神经功能失调所引起的各种精神疾病（例如自闭症），并了解药物是如何影响网络行为。

超级电脑“京”和人脑 编辑

2013年底，日本和德国的研究人员使用当时排名第四的超级电脑“京”和脉冲神经网络（英语：Spiking neural network）模拟平台“NEST”来模拟1%的人脑。该模拟建立了一个由17.3亿个神经细胞组成的网络模型，神经细胞以10.4兆个突触连接。为了实现这一壮举，该程序使用了京的82944个处理器，过程花了40分钟，完成了真实生物神经网络活动1秒钟的模拟[17][18] 。

人脑计划 编辑

人脑计划（HBP）是由欧盟资助的研究计划，从2013年开始，为期10年，在欧洲雇用了约500名科学家，包含6个平台：

大脑模拟平台（Brain Simulation Platform，BSP）是可存取互联网的平台，它可以进行那些不易在实验室实行的调查。目前正在将蓝脑技术应用于其他脑区，如小脑、海马回和基底核。[19]

开源大脑模拟 编辑

大脑模型已经作为开源软件发布，可在GitHub等网站上获得。其中包括秀丽隐杆线虫[20]、果蝇[21]，以及世界上最大的功能性大脑模型[22]——在NENGO软件架构基础上开发的人脑模型“Elysia”[23]和“Spaun”[24]。

蓝脑计划的展示网页说明了蓝脑计划的模型和资料是如何转换为NeuroML和PyNN（Python的神经网络模型）。[25]

参考文献 编辑

 

  1. ^ C. Elegans simulation （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Open source software project at Github
  2. ^ 2.0 2.1 Herper, Matthew. IBM Aims To Simulate A Brain. Forbes. June 6, 2005 [2006-05-19]. （原始内容存档于2008-11-04）. 
  3. ^ Human Brain Project, Framework Partnership Agreement https://www.humanbrainproject.eu/documents/10180/538356/FPA++Annex+1+Part+B/41c4da2e-0e69-4295-8e98-3484677d661f （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  4. ^ Neuroinformatics and The Blue Brain Project. Informatics from Technology Networks. [2018-01-30]. （原始内容存档于2020-12-19）. 
  5. ^ Chalfie M; Sulston JE; White JG; Southgate E; Thomson JN; et al. The neural circuit for touch sensitivity in Caenorhabditis elegans. The Journal of Neuroscience. April 1985, 5 (4): 956–64 [2021-08-17]. PMID 3981252. （原始内容存档于2022-10-15）. 
  6. ^ Niebur E; Erdös P. Theory of the locomotion of nematodes: control of the somatic motor neurons by interneurons. Mathematical Biosciences. November 1993, 118 (1): 51–82. PMID 8260760. doi:10.1016/0025-5564(93)90033-7. 
  7. ^ A. (编). [Ijspeert Ijspeert] 请检查|url=值 (帮助).  editor-name-list parameters只需其一 (帮助); 缺少或|title=为空 (帮助)
  8. ^ C. Elegans simulation （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Open source software project at Github
  9. ^ Mark Wakabayashi （页面存档备份，存于互联网档案馆）, with links to MuCoW simulation software, a demo video and the doctoral thesis Computational Plausibility of Stretch Receptors as the Basis for Motor Control in C. elegans, 2006.
  10. ^ Mailler, R.; Avery, J.; Graves, J.; Willy, N. 2010 International Conference on Biosciences (PDF). 7–13 March 2010: 84–90 [2021-08-17]. ISBN 978-1-4244-5929-2. doi:10.1109/BioSciencesWorld.2010.18. （原始内容存档 (PDF)于2019-07-18）. 
  11. ^ How does complex behavior spontaneously emerge in the brain?. [2018-02-27]. （原始内容存档于2020-11-12）. 
  12. ^ Arena, P.; Patane, L.; Termini, P.S.; An insect brain computational model inspired by Drosophila melanogaster: Simulation results （页面存档备份，存于互联网档案馆）, The 2010 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN).
  13. ^ Project Milestones. Blue Brain. [2008-08-11]. （原始内容存档于2023-02-10）. 
  14. ^ News and Media information. Blue Brain. [2008-08-11]. （原始内容存档于2008-09-19）. 
  15. ^ Supercomputer Mimics Mouse's Brain. Huffington Post. 2008-03-28 [2018-06-05]. （原始内容存档于2015-08-22） （美国英语）. 
  16. ^ Mouse brain simulated on computer. BBC News. 27 April 2007 [2021-08-17]. （原始内容存档于2017-08-25）. 
  17. ^ Largest neuronal network simulation to date achieved using Japanese supercomputer. ScienceDaily. August 2, 2013 [2020-11-25]. （原始内容存档于2021-01-04）. 
  18. ^ Largest neuronal network simulation to date achieved using Japanese supercomputer. Jülich Forschungszentrum. August 2, 2013 [2020-11-25]. （原始内容存档于2019-05-21）. 
  19. ^ Brain Simulation Platform. Human Brain Project. [20 January 2018]. （原始内容存档于2020-12-29）. 
  20. ^ C. Elegans simulation （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Open source software project at Github
  21. ^ [1] （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Neurokernel open-source fruit fly brain simulation
  22. ^ Eliasmith, C., Stewart T. C., Choo X., Bekolay T., DeWolf T., Tang Y., Rasmussen, D. (2012). A large-scale model of the functioning brain. Science. Vol. 338 no. 6111 pp. 1202-1205. DOI: 10.1126/science.1225266.
  23. ^ Elysia. [2021-08-17]. （原始内容存档于2020-09-10）. 
  24. ^ [2] （页面存档备份，存于互联网档案馆）, spaun2.0 brain simulation
  25. ^ Overview - Blue Brain Project Showcase - Open Source Brain. Open Source Brain. [May 5, 2020]. （原始内容存档于2020-11-26）. 
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