蓝脑计画

蓝脑计画(英语:Blue Brain Project)尝试利用分子层级的哺乳类脑部逆向工程建立一个电脑模拟脑。该计画于2005年5月由瑞士洛桑联邦理工学院脑与心理研究所(EPFL)在瑞士成立,其任务是利用生物学数据重建和哺乳动物大脑模拟(脑模拟)来识别大脑结构和功能在健康和疾病的基本原则。

该计画由创始人亨利·马克拉姆领导,他也是欧洲人脑计画的负责人,由Felix Schürmann和Sean Hill共同执导。本计画使用蓝色基因超级电脑运行Michael Hines的Neuron(软体)英语Neuron (software),电脑模拟并不仅是包括人工神经网路模型,也包括生物过程的真实神经元模型[1][2][3],和一个经验重建模型连接组(connectome)。这个计画希望最终能够揭开意识的本质[3]

目前已经有一些相关的子计画领域,包括卡哈尔蓝脑(Cajal Blue Brain (Spain)),它是由马德里理工大学马德里高速运算和可视化中心英语Supercomputing and Visualization Center of Madrid(CeSViMa)所主控,其它子系画则由英国、美国和以色列的大学以及独立实验室所执行。

目标

该计画的最初目标于2006年12月完成[4],模拟了老鼠的新皮层柱,一些研究人员认为这是新皮层最小的功能单位[5][6],这被认为是负责意识思维等高级功能。在人类中,每个柱体长约2毫米(0.079英吋) ,直径0.5毫米(0.020英吋) ,包含约60,000个神经元。 大鼠新皮层柱在结构上非常相似,但只包含10000个神经元和108个突触。 在1995年到2005年间,马克拉姆对这个柱描绘了神经元类型以及它们之间的连接。

进度

2007年11月[7],该计画报告了第一阶段的结束,发表了一个用于创建、验证和研究新皮层柱的数据驱动过程。

到2005年,第一个细胞模型完成。到2008年,建成了第一个由10000个细胞组成的人工细胞新皮层柱。截至2011年7月,已建成100个新皮层柱组成的细胞中央环路(mesocircuit),包含100万个细胞。 在2014年计划了一个细胞的老鼠大脑模型[需要更新],包含100个中央环路,共计1亿个细胞。据预测,建成人类大脑将在2023年成为可能,其细胞数量相当于1000个老鼠大脑,细胞总数将达到1000亿个[8][9]

2005年,该计画将其初步成果发表在科学文献上,旨在一个分子水平上建立模拟[1],从而研究基因表现的影响。它还旨在简化柱的模拟,允许平行模拟大量连接的柱,最终模拟完整的新皮层,而人类的新皮层由大约100万个皮层柱组成。[来源请求]

2015年,瑞士洛桑联邦理工学院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL)的科学家们建立了一个定量模型,揭示了先前未知的胶质细胞、星形胶质细胞和神经元之间的关系。该模型透过神经胶质血管单元(NGV)的功能来描述大脑的能量管理。另外将一层神经胶质细胞加入蓝脑计画模型中,以改善系统的功能。[10]

2017年,“蓝脑计划”发现,神经元簇英语Neural clique之间存在多达11个面向的联系。该计画负责人表示,在一定程度上,我们很难理解大脑,部分是因为通常用于研究网路的数学方法无法探测到那么多面向。蓝脑计画能够利用代数拓扑[11]对这些网路进行建模。

据《科学日报》报导,2018年,“蓝脑计划”发布了首个数位3D脑细胞图谱,这就像是“从手绘地图到谷歌地球”,提供了大脑737个区域的主要细胞类型、数量和位置资讯[12]

2019年,参与“蓝脑”计画的计算神经科学家伊丹·塞格夫(Idan Segev)发表了一场题为《计算机中的大脑:我从模拟大脑中学到了什么》(Brain In the computer: what I did I learn from the Brain)的演讲,他提到完整的老鼠大脑皮层的研究已经完成,即将开始进行虚拟脑电图的实验。他还提到,这个模型对他们当时正在使用的超级电脑来说,实在过于沉重,因此他们正在探索将每个神经元都表示为一个神经网路的方法。[13]

2022年,蓝脑计画的科学家们利用代数拓扑开发了“拓扑神经元合成”演算法,仅使用少量范例便可产生大量独特的细胞,合成出数百万个独特的神经元形态,这使他们能够复制大脑的健康状态和不健全状态。在一篇论文中,Kenari等人能够使用这个演算法以数位方式合成老鼠大脑中的树突形态,他们仅使用了少量参考细胞就对整个大脑区域进行了测绘。由于该演算法开源,这将有助于建立大脑疾病的模型,而且最终可能会产生数位化的孪生大脑。[14]

相关题目

参照

  1. ^ 1.0 1.1 Graham-Rowe, Duncan. "Mission to build a simulated brain begins"页面存档备份,存于互联网档案馆), NewScientist, June 2005.
  2. ^ Palmer, Jason. Simulated brain closer to thought页面存档备份,存于互联网档案馆), BBC News.
  3. ^ 3.0 3.1 Segev, Idan. ASC 2012: Prof. Idan Segev - The blue brain. The Hebrew University of Jerusalem. [31 May 2013]. (原始内容存档于2016-07-02). 
  4. ^ Project Milestones. Blue Brain. [2008-08-11]. (原始内容存档于2023-02-10). 
  5. ^ Horton, JC; Adams, DL. The cortical column: a structure without a function. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. April 2005, 360 (1456): 837–62. PMC 1569491 . PMID 15937015. doi:10.1098/rstb.2005.1623. 
  6. ^ Author: Rakic, P. | Journal: National Academy of Sciences |105[34] | pp: 12099-12100 | web: http://www.pnas.org/content/105/34/12099.full页面存档备份,存于互联网档案馆
  7. ^ News and Media information. Blue Brain. [2008-08-11]. (原始内容存档于2008-09-19). 
  8. ^ Henry Markram: Simulating the brain; the next decisive years, video [3/3] 07:00. [2011-08-29]. (原始内容存档于2021-01-26). 
  9. ^ Henry Markram: Simulating the brain; the next decisive years - 07:00. [2011-08-29]. (原始内容存档于2013-08-01). 
  10. ^ Multi-timescale Modeling of Activity-Dependent Metabolic Coupling in the Neuron-Glia-Vasculature Ensemble. PLOS Computational Biology, 2015. http://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1004036页面存档备份,存于互联网档案馆
  11. ^ "Blue Brain Team Discovers a Multi-Dimensional Universe in Brain Networks"页面存档备份,存于互联网档案馆). Frontiers Science News, June 12, 2017.
  12. ^ Blue Brain Project releases first-ever digital 3D brain cell atlas. ScienceDaily. November 28, 2018 [18 April 2019]. (原始内容存档于2020-11-08). 
  13. ^ Brain in the computer: What did I learn from simulating the brain - Idan Segev. YouTube. [2023-03-10]. (原始内容存档于2023-03-10). 
  14. ^ Blue Brain builds neurons with mathematics页面存档备份,存于互联网档案馆) Kate Mullins, EPFL news. June 4th, 2022

参考

外部链接