Синий моск
2008-10-28 23:26![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
fregimusПроект Blue Brain ведется совместно École Polytechnique Fédérale de Lausanne и IBM. Цель проекта — создание биологически достоверной, функциональной модели мозга. Проект начался в 2005 году. Первая фаза, заявленная тогда и успешно завршенная в 2006 году — создание биологически достоверной модели кортикальной колонки, базовой «микросхемы» коры головного мозга млекопитающих.
Мозг млекопитающих (включая человека) содержит структуру, которой не было у биологических предшественников семейства: неокортекс, или «новую кору». Эта структура представляет собой слой нервной ткани, расположенной на внешней поверхности мозга (отсюда название «кора»). Толщина коры у человека — всего около 2 мм, но площадь ее довольно велика. Неокортекс отвечает за зрение, осязание, моторику, а у человека — еще и за мышление. Эта структура состоит по глубине из шести слоев клеток, а по площади из огромного множества колонок — шестислойных ячеек, обеспечивающих обработку информации. Колонка неокортекса диаметром в 0,5 мм включает в себя порядка 10000 нейронов и 30 миллионов соединений между ними — синапсов — причем нейроны эти разных типов, и исполняют разные функции.
Чтобы получить достоверную модель ионных каналов нейрона — а ионный канал играет роль проводника между нейронами — инженеры проекта построили автоматического лаборанта. Этот робот подсоединяет проводники датчиков к одной клетке, которая затем подвергается различным биохимическим воздействиям. Чтобы собрать необходимое количество данных, робот работал круглосуточно в течение полугода.
Когда модели нейронов были готовы, их соединили в точную копию колонки двухнедельной крысы. Специальный алгоритм располагал нейроны в пространстве в соответствии с принципами расположения живых нейронов, и соединял их так же, как соединяются в мозге настоящие нейроны. Все 10000 соединений и 30 миллионов синапсов в результате этого долгого вычисления «заняли свои места».
На входные соединения построенной колонки стали подавать такие же сигналы, какие приходят на настоящую колонку крысиного мозга. И… произошло вычислительное чудо: модель стала развиваться в точности так, как развивается живая колонка мозга! Нейроны синхронизировались, новые синапсы появлялись и отмирали точно так же, как это происходит в мозге мыши. Модель ожила.
Работает эта модель на параллельном суперкомпьютере IBM Blue Gene/L с 8192 процессорами общей производительностью «всего» 22,8 TFLOP, то есть триллионов вычислений в секунду. «Всего» — потому что старшие модели семейства нового поколения Blue Gene/P уже превзошли по производительности рубеж в 1 PFLOP. Приставка пета- означает 1015, или миллион миллиардов вычислений в секунду.
В ноябре прошлого года было объявлено о завершении первой фазы проекта, выполнившей все три заявленные цели: разработка среды моделирования для автоматического конструирования нейронных цепей; процесс моделирования и калибровки, который поддерживает модель биологически достоверной; и, наконец, собственно биологически точная модель крысиной неокортикальной колонки.
Зачем нам нужна точная модель крысиного мозга? Во-первых, снимать данные с реального мозга очень сложно. Можно подключиться к нескольким нейронам, но это сопряжено с тончайшей нейрохирургией. Во-вторых, мы можем снимать данные с модели мозга в любом объеме — записывать активность любого количества нейронов сразу. Но это — гигабайты данных в секунду. Здесь поможет в-третьих: любой эксперимент с вычислительной моделью можно повторить с любого места, если потребуются дополнительные данные. Все параметры всех нейронов перед исследователем, равно и легко доступны. Ничего и близкого к такой доступности информации при исследованиях на живых крысах у нас нет.
Сегодня ученые работают над уточнением алгоритма «строительства» колонки, чтобы не только работа колонки, но и ее структура порождалась в соответствии с генетической программой живой нервной ткани. Это даст нам ключ к пониманию генетических нарушений структуры нервной ткани, а, значит, будет шагом к ее исправлению, лечению тяжелых наследственных нервных нарушений.
Сегодня уже работает модель целого крысиного мозга — правда, на упрощенных «нейронах»; это не полная биохимическая модель. Пока ее скорость в 10 раз меньше, чем требуется для управления крысиным роботом в реальной среде.
А завтра? В течение 10 лет мы получим модель мозга, равного по величине человеческому. Разовьется ли в нем сознание и мышление? Мы не знаем. Но очень интересно было бы узнать!
Научно-популярные публикации:
J. Lehrer. Out of the Blue. SEED, March 2008.
D. Graham-Rowe. A Working Brain Model. MIT Tech. Rev., Nov. 2007
Мозг млекопитающих (включая человека) содержит структуру, которой не было у биологических предшественников семейства: неокортекс, или «новую кору». Эта структура представляет собой слой нервной ткани, расположенной на внешней поверхности мозга (отсюда название «кора»). Толщина коры у человека — всего около 2 мм, но площадь ее довольно велика. Неокортекс отвечает за зрение, осязание, моторику, а у человека — еще и за мышление. Эта структура состоит по глубине из шести слоев клеток, а по площади из огромного множества колонок — шестислойных ячеек, обеспечивающих обработку информации. Колонка неокортекса диаметром в 0,5 мм включает в себя порядка 10000 нейронов и 30 миллионов соединений между ними — синапсов — причем нейроны эти разных типов, и исполняют разные функции.
Чтобы получить достоверную модель ионных каналов нейрона — а ионный канал играет роль проводника между нейронами — инженеры проекта построили автоматического лаборанта. Этот робот подсоединяет проводники датчиков к одной клетке, которая затем подвергается различным биохимическим воздействиям. Чтобы собрать необходимое количество данных, робот работал круглосуточно в течение полугода.
Когда модели нейронов были готовы, их соединили в точную копию колонки двухнедельной крысы. Специальный алгоритм располагал нейроны в пространстве в соответствии с принципами расположения живых нейронов, и соединял их так же, как соединяются в мозге настоящие нейроны. Все 10000 соединений и 30 миллионов синапсов в результате этого долгого вычисления «заняли свои места».
На входные соединения построенной колонки стали подавать такие же сигналы, какие приходят на настоящую колонку крысиного мозга. И… произошло вычислительное чудо: модель стала развиваться в точности так, как развивается живая колонка мозга! Нейроны синхронизировались, новые синапсы появлялись и отмирали точно так же, как это происходит в мозге мыши. Модель ожила.
Работает эта модель на параллельном суперкомпьютере IBM Blue Gene/L с 8192 процессорами общей производительностью «всего» 22,8 TFLOP, то есть триллионов вычислений в секунду. «Всего» — потому что старшие модели семейства нового поколения Blue Gene/P уже превзошли по производительности рубеж в 1 PFLOP. Приставка пета- означает 1015, или миллион миллиардов вычислений в секунду.
В ноябре прошлого года было объявлено о завершении первой фазы проекта, выполнившей все три заявленные цели: разработка среды моделирования для автоматического конструирования нейронных цепей; процесс моделирования и калибровки, который поддерживает модель биологически достоверной; и, наконец, собственно биологически точная модель крысиной неокортикальной колонки.
Зачем нам нужна точная модель крысиного мозга? Во-первых, снимать данные с реального мозга очень сложно. Можно подключиться к нескольким нейронам, но это сопряжено с тончайшей нейрохирургией. Во-вторых, мы можем снимать данные с модели мозга в любом объеме — записывать активность любого количества нейронов сразу. Но это — гигабайты данных в секунду. Здесь поможет в-третьих: любой эксперимент с вычислительной моделью можно повторить с любого места, если потребуются дополнительные данные. Все параметры всех нейронов перед исследователем, равно и легко доступны. Ничего и близкого к такой доступности информации при исследованиях на живых крысах у нас нет.
Сегодня ученые работают над уточнением алгоритма «строительства» колонки, чтобы не только работа колонки, но и ее структура порождалась в соответствии с генетической программой живой нервной ткани. Это даст нам ключ к пониманию генетических нарушений структуры нервной ткани, а, значит, будет шагом к ее исправлению, лечению тяжелых наследственных нервных нарушений.
Сегодня уже работает модель целого крысиного мозга — правда, на упрощенных «нейронах»; это не полная биохимическая модель. Пока ее скорость в 10 раз меньше, чем требуется для управления крысиным роботом в реальной среде.
А завтра? В течение 10 лет мы получим модель мозга, равного по величине человеческому. Разовьется ли в нем сознание и мышление? Мы не знаем. Но очень интересно было бы узнать!
* * *
Веб-сайт проекта. // Картинки и фильмы. // Библиография.Научно-популярные публикации:
J. Lehrer. Out of the Blue. SEED, March 2008.
D. Graham-Rowe. A Working Brain Model. MIT Tech. Rev., Nov. 2007
