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大腦模擬

大腦模擬是指對完整或部分的大腦進行功能性的電腦建模。若要對大腦（或大腦子系統）建模，就要同時對神經元的電學性質和體化學性質（如細胞外血清素梯度）進行建模以及目標生物的神經連接組模型。神經連接組極其複雜，詳細連接方式尚不明瞭；因此目前正透過藍腦計畫等專案在小型哺乳動物中進行實驗模擬。

世界各地的各種模擬已全部或部分以開源形式發佈，如C. elegans[1]和藍腦計畫展示。

藍腦計畫想要對哺乳動物皮層柱建立下至分子等級的電腦模擬。[2]根據一項估計，使用藍腦計畫的方法對人類連接組進行全面重建將需要zettabyte的資料儲存量。在2013年，人腦計畫建立了腦模擬平台（Brain Simulation Platform，BSP），這是可透過網際網路存取，為了模擬大腦模型而設計的協作平台，。人腦計畫運用了藍腦計畫所使用的技術，並在此基礎上改進。[3]

大腦模擬計畫是為了促進對大腦的全面理解，並在最終協助改進治療和診斷腦部疾病的流程。 [4]

秀麗隱桿線蟲（蛔蟲）

秀麗隱桿線蟲302個神經元的大腦圖譜，由5000個突觸相互連接而成。

秀麗隱桿線蟲（蛔蟲）的觸覺敏感性的神經迴路連通圖在1985 年[5]繪製完成，並在 1993 年進行了部分模擬。[6]自 2004 年以來已有許多完整的神經及肌肉系統的軟體模擬開發完成，包括蠕蟲的物理環境模擬，其中有一些模型可供下載。[7] [8]然而，對於在這種相對簡單的生物體中，神經元及其連接是如何產生令人驚訝的一系列複雜行為，這方面的理解仍付之闕如。[9] [10]整體大腦功能有著過度的複雜性，與所繪相鄰神經元之間相互作用的簡單性呈鮮明對比，這種反差就是湧現屬性的一個例子，[11]湧現在人工神經網路中有平行的特性，與它們往往很複雜的抽象輸出相比，人工神經網路的神經元則極其簡單。

果蠅神經系統

果蠅的大腦也已被徹底研究，其模擬模型提供了一個獨特的同胞神經元模型。[12]

老鼠大腦成像和類比

亨利·馬克拉姆在1995年至2005年間繪製了老鼠大腦中的神經元類型及其連結圖。[來源請求]

2006年12月，[13]藍腦計畫完成了對老鼠新皮層柱的模擬。新皮層柱被認為是新皮層最小的功能單元。新皮層是大腦的一部分，被認為是負責如意識思維等高階功能，老鼠大腦中含有10000個神經元（和10 8個突觸）。2007年11月，[14]該計畫報告結束了第一階段，並提供了一個依照數據處理的流程，用於建立、驗證和研究新皮層柱。

2007年，內華達大學的研究團隊在IBM的超級電腦藍色基因上執行了「與半顆老鼠大腦一樣大、一樣複雜的 」人工神經網路[15]。每模擬一秒鐘的時間需花費十秒鐘的計算時間。研究人員聲稱觀察到了「與生物學一致的」神經衝動在虛擬大腦皮層流過。然而，該模擬缺乏了在真實老鼠大腦中看到的結構，而且他們還打算改進神經元和突觸模型的準確性。[16]

藍腦和老鼠

藍腦計畫是IBM和瑞士洛桑聯邦理工學院於2005年5月發起的一項計畫。計畫之目的在於，在分子等級之上建立對哺乳動物皮層柱的電腦模擬[2]。該項計畫使用了基於IBM藍色基因所設計的超級電腦，根據神經元的突觸連接性和離子滲透性來模擬神經元的電性行為。該計畫試圖最終了解人類認知，以及由神經功能失調所引起的各種精神疾病（例如自閉症），並了解藥物是如何影響網路行為。

超級電腦「京」和人腦

2013年底，日本和德國的研究人員使用當時排名第四的超級電腦「京」和脈衝神經網路（英语：Spiking neural network）模擬平臺「NEST」來模擬1%的人腦。該模擬建立了一個由17.3億個神經細胞組成的網路模型，神經細胞以10.4兆個突觸連接。為了實現這一壯舉，該程序使用了京的82944個處理器，過程花了40分鐘，完成了真實生物神經網路活動1秒鐘的模擬[17][18] 。

人腦計劃

人腦計畫（HBP）是由歐盟資助的研究計劃，從2013年開始，為期10年，在歐洲雇用了約500名科學家，包含6個平台：

大腦模擬平台（Brain Simulation Platform，BSP）是可存取網際網路的平台，它可以進行那些不易在實驗室實行的調查。目前正在將藍腦技術應用於其他腦區，如小腦、海馬迴和基底核。[19]

開源大腦模擬

大腦模型已經作為開源軟體發布，可在GitHub等網站上獲得。其中包括秀麗隱桿線蟲[20]、果蠅[21]，以及世界上最大的功能性大腦模型[22]——在NENGO軟體架構基礎上開發的人腦模型「Elysia」[23]和「Spaun」[24]。

藍腦計畫的展示網頁說明了藍腦計畫的模型和資料是如何轉換為NeuroML和PyNN（Python的神經網路模型）。[25]

參考文獻

 

  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）. 
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