大腦研究正在挑戰超級計算，“人腦計劃”或需提前部署百億億級超級計算機

據了解，人腦包含大約 860 億個神經元，可形成數萬億個接觸點。如果以細胞分辨率對整個大腦進行成像，甚至會產生數 PB 范圍內的數據，這樣的的計算量令人望而生畏。

在近期的 Science 上，人腦研究專家們解釋了神經科學的進步為什么需要高性能計算技術，并提出進一步的腦類研究可能需要百億億級計算設備的協助[1]。

相關論文以《大腦研究挑戰超級計算》（Brain research challenges supercomputing）為題，德國神經科學家卡特琳·阿蒙茨（Katrin Amunts）以及 Jülich 超級計算中心主任托馬斯·利珀特（Thomas Lippert）為共同第一作者。

“了解大腦的所有復雜性需要從多個尺度——從基因組學、細胞和突觸到整個器官水平的洞察力，這意味著需要處理大量數據。”阿蒙茨表示。

據了解，阿蒙茨被譽為是世界上腦圖譜領域最杰出的神經科學家之一。她不僅是 Jülich 研究中心神經科學與醫學研究所主任，同時也是人腦計劃（HBP）的科學研究主任。

人腦計劃項目于 2013 年 10 月 1 日正式啟動，被歐盟委員會視為“未來和新興技術旗艦項目之一”。其目的是為大腦研究和類腦計算創建一個研究基礎設施，供歐洲和其他地方的科學家使用。

人腦計劃主要涵蓋兩個方面。一方面是非常關注認知和意識問題以及適應性架構的科學議程，從而將神經科學、大腦健康和大腦啟發技術平衡到該科學計劃中。另一方面是 EBRAINS 架構的開發。

起初，該項目尚未啟動時資金承諾超過 10 億歐元，為期 10 年，其中一半將由歐盟委員會提供。

然而，項目執行后不到一年，科學界就提出了抗議。100 多名研究人員致函委員會，稱該項目構思和管理不當，導致委員會不得不削減預算，并引入新的管理人員。

但毋庸置疑的是，在關鍵數據處理上，由該項目研發出的 EBRAINS 架構正發揮著重要作用。

這其中，EBRAINS 為大腦研究人員提供了一系列工具、數據和計算服務。包括通過 Fenix 聯合基礎設施訪問超級計算系統，該系統由歐洲領先的超級計算中心建立，作為人類大腦項目的一部分，將為大腦研究以外的社區提供服務。

人腦計劃作為全球性組織國際大腦計劃（IBI）的一部分，雖然其本身將于 2023 年到期，但預計技術基礎設施和項目將繼續進行，屆時也許會有更多的國際參與。

該項目項目負責人表示，“我們需要與他人密切合作，以確保互操作性，這是神經科學需要采取的下一個重要步驟，以確保可重復性和可復制性。”

不過，阿蒙茨也指出，人腦的復雜程度遠超想象，大腦神經回路的天文數字壓倒了研究人員，高性能計算的重要性正日益彰顯。

此前，有科學家提出神經科學中的四個重大挑戰：神經解剖學和結構連接組學；神經群體動力學和功能連接組學；將感覺、大腦和行為聯系起來；通過模擬進行綜合。

這些挑戰在規模上都需要高性能計算的參與。

“這是超級計算的一個激動人心的時刻，我們從神經科學界的研究人員那里收到了很多新的要求，他們需要強大的計算來解決大腦的復雜性。作為回應，我們正在開發專門用于研究大腦的新工具。”利珀特表示。

一方面，高性能計算使科學家能夠長時間同時記錄大量大腦信號，捕捉產生感覺、動作、認知和意識的活動模式。

另一方面，模擬大腦活動，包括大腦疾病的進展，是神經科學家們持續關注的一個領域。而通過高性能計算，研究人員看到了更多研究潛力。

從論文中獲悉，“放大細胞和亞細胞細節以揭示神經元連接的不同方面”在神經學領域是一個備受關注的課題。然而，想要實現這個連接過程難度卻是非常高的。

因此，科學家們可能會從神經科學之外的領域尋求創造性解決方案，比如引入百億億級超級計算機。

這個目標或許會在 5 年內得以實現，屆時，兩臺擁有百億億級超強算力的計算機將被用于彌補人腦計劃數據處理上的不足。這些計算機將由歐洲高性能計算聯合企業（EuroHPC JU）收購，這也是歐盟、歐洲國家和私人合作伙伴之間的一項聯合倡議。

“大腦研究界隨時準備使用這些百億億級系統。”阿蒙茨表示。

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