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大脑模拟

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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)

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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

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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

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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

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蓝脑计划IBM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

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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“”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

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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,如小脑海马回基底核[19]

开源大脑模拟

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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

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  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).