蓝色大脑计划:数字化大脑成功模拟3700万个神经突触

来自蓝色大脑项目的82位科学家和工程师中成功模拟了3700万个神经突触。 蓝色大脑计划,作为欧盟人类大脑项目模拟脑方向的核心组成部分,于10月8日公布了他们关于老鼠大脑新皮质层的微型电路的数字化重构结果。 [caption id="attachment_5174" align="aligncenter" width="565"][Image: https://quip.com/-/blob/VNCAAAla1wJ/-zH9V06wGIcA9PxcX-J_Aw] 老鼠新皮质层的虚拟脑切片 (credit: Henry Markram et al./Cell) 老鼠新皮质层的虚拟脑切片 (credit: Henry Markram et al./Cell)[/caption]由Henry Markram(来自瑞士洛桑联邦理工学院)领导的国际研究团队,首次实现了老鼠新皮质层部分脑组织的计算机重构(该脑组织约1/3立方毫米,包含约30000个神经元和接近4000万个突触连接。) 利用超级计算机模拟该虚拟脑组织的电子行为,科学家发现其与大量活体实验中真脑的电子行为惊人的一致。进一步的模拟还揭示了新皮层的一些未知功能。 该模拟再现了脑研究中已有的许多结果,验证了其生理学上的准确性,同时可以为新皮质层的功能提供新见解。蓝色大脑计划已经在其官网开放了全套的实验数据和重构数据,供其他研究人员使用。

EPFL, Blue Brain Project, Human Brain Project | Reconstruction and Simulation of Neocortical Microcircuitry

10月8日,权威期刊《细胞》出版了这篇万众瞩目的开源论文(10月22日将在线发表)。该重构结果集已有20年之久的实验生物学(生成核心的实验数据库)和10年之久的计算科学(开发重构和模拟大脑的算法和软件)之大成,代表了这两个学科交叉的光辉顶点。 然而,据《科学》杂志报道,一些科学家却将这份长达36页的论文视为「企图模拟大脑既无意义又浪费资金」的有力证据。「这篇论文除了工作量巨大以外,并无惊人之处。」来自里斯本尚帕利默未知技术研究中心(Champalimaud Centre for the Unknown)的神经科学家Zachary Mainen说道。 「科学家们对该论文的态度正好反映了自人类大脑计划被欧盟选为旗舰项目并资助10亿欧元以来持续存在的争论,正是该争论造成欧洲的神经科学团体的公开分裂。」《科学》杂志评论道,「去年,数百名科学家签署了一封公开信批评人类大脑项目管理不善以及其科学目标过于狭狭隘。」 其他一些科学家质疑该研究的实用性,虽然该结果是迄今为止在模拟脑领域最全面的 , 但是离重构完整的大脑回路还有非常遥远的距离。虽然Markram承认这一点,但他也谈到:「我们不可能也没有必要测量一切。大脑是高度组织的结构,所以一旦认识到其微观层次的机理 ,便可以预测那些未知的数据。」 瑞士洛桑联邦理工大学发表一份声明评论道:「虽然离模拟整个大脑还长路漫漫,但该野心勃勃也充满争议的研究表明 , 蓝色大脑计划试图模拟和重构脑组织的目标是可行的,它迈出了第一步,为欧盟的人脑项目作出了重大贡献。」

重构:脑组织的数字化近似

[caption id="attachment_5176" align="aligncenter" width="625"]神经元和突触的数字化重构 (credit: Henry Markram et al./Cell) 神经元和突触的数字化重构 (credit: Henry Markram et al./Cell)[/caption] 这项研究由来自以色列、瑞士、西班牙、匈牙利、中国、美国、瑞典和英国等国的82位科学家和工程师共同完成。研究人员在老鼠新皮层的神经元和突触上进行了大量实验,并编目和分类已发现的神经元和神经突触。他们据此确定了一系列描述微电路中神经元的排列以及它们如何通过突触连接的基本规则。 论文的主要作者之一Michael Reimann开发了用以预测微型电路中近4000万个突触位置的算法。他说,「该算法首先基于不同深度、不同种类神经元的分布,构建出神经元的3D模型;然后探测神经元互相连接的所有可能位置(约6亿个);接着根据5条生理学规则删除不符合条件的连接。最后留下了约3700万个神经突触。」为了模拟突触的活动,研究人员整合了来自他们自己实验和前人已有实验的数据。文章另一主要作者Srikanth Ramaswamy提到,「我们取得了很大进步,使用少部分数据就可以估算流经3700万个突触的离子电流。」 研究人员发现「虚拟大脑」中预测的突触连接和生物组织实验中测量到的突触连接惊人的匹配。来自马德里理工大学的Javier DeFelipe(作者之一)证实该重构大脑与他领导的实验室中电子显微镜独立观察到的数据比对一致。 Idan Segev(作者之一)把这篇论文视为100年前西班牙解剖学家Ramon y Cajal开创性工作的延伸。「Ramon y Cajal手工解剖大脑,研究不同类型的神经元,他甚至用箭头描述了信息在神经元之间的传递方向。如今,我们正在做的就是Ramon y Cajal如果活在当下会做的事情,即构建神经元和突触的数字化模型并利用超级计算机模拟神经元之间的信息流动。更为重要的是,该数字化模型得以保存并被后人使用。」

模拟vs活体实验

该研究目的是创建一个模拟脑组织的数字化模型。科学家们面临着巨大考验:在超级计算机上的仿真实验,所有神经元相互作用时将产生怎样的行为表现。 正如在该研究中负责开发模拟软件的Felix Schürmann提到,「数字化的重构,仿真程序的运行以及结果的分析都需要超级计算机和庞大的生态系统软件来解决和处理模拟过程中每25微秒时间步中数十亿的方程。」 研究人员在该虚拟大脑上模拟已有的活体生物实验。虽然该重构大脑的目的并非仅仅为了再现任何电路活动现象,但还是出现了各种各样有趣的实验结果。 该模拟还发现了活体实验中未曾观察到的现象。例如,钙离子在脑基础活动中的重要作用,这一点是科学家未曾预料到的。Eilif Muller在文中提到,他们在模拟中观察到了类似人类睡眠时候的同步脉冲神经活动 。「当我们模拟钙离子浓度下降的情况时,发现了神经元电路的非同步行为 ,这和动物清醒时的电路活动很像。」综合分析这些生物数据,揭示了钙离子在控制脑状态中的关键地位。 研究人员发现,事实上,有许多细胞和突触机制都能将电路从一个状态跃迁到另一个状态。这表明电路可以改变它的状态从而进行不同的运算。如果是这样的话 ,它可能开辟研究大脑信息处理和记忆机制的新思路 , 如失眠、嗜睡以及癫痫和其他脑部疾病。

新起航

目前,蓝色大脑计划已经发表了实验结果和数字化重构结果,其他科学家能够利用它们检验关于脑功能的理论和假说。 Markram认为:「这份重构结果只是一个初稿,它并不完善,还不是脑组织的完美数字化复制。」实际上,当前的版本忽略了许多重要的方面,如神经胶质细胞、血管、细胞缝隙连接 、神经可塑性和神经调节 。根据 Sean Hill(合著者之一)的说法,「重构和模拟大脑,以及人脑大脑计划需要大规模的协作,这项研究如初升之旭日,才刚刚开启。」
 
附论文摘要:重构和模拟新皮质微型电路
我们首次实现了幼鼠躯体感觉皮质(新皮质层)微型电路的重构。基于神经元和突触的排列和连接规则,利用少数的实验数据,重建了大脑的解剖学和生理学结构。客观的解剖方法确定了一个体积为0.29±0.01 mm3的皮层,包含约31000个神经元,利用膜片钳技术确定了55个分层形态和207个morpho-electrical神经元亚型。重构中的神经元位置和突触数量受限于生物密度和每个连接的最大突触数量。最后的重构包含约800万个连接,3700万个突触。在不需要参数调节的情况下,模拟再现了一系列体外和体内实验。此外,我们发现神经网络状态从同步到异步转变的频谱图。该网络的频谱状态,在相变点附近动态重置,从而支持不同的信息处理过程。   来自kurzweilai,机器之心翻译出品。参与人员:陈CR7,孟婷。
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