為什么超級計算機需要映射鼠標大腦

在阿貢國家實驗室內(nèi)占地25,000平方英尺的房間內(nèi)，世界上最強大的超級計算機之一--Theta--正在將其令人難以置信的計算能力應(yīng)用于有史以來記錄或分析的最大批量數(shù)據(jù)。這些信息是研究人員希望有朝一日可能有助于我們對智能本身的理解。

在這種情況下，所有數(shù)據(jù)都適合鼠標的頭骨。

Theta目前使用由阿拉貢國家實驗室的神經(jīng)科學研究員Narayanan“Bobby”Kasthuri和芝加哥大學神經(jīng)生物學助理教授逐步收集的數(shù)據(jù)集來繪制小鼠大腦的結(jié)構(gòu)圖。當采購?fù)暾臏瑘怨?，最終結(jié)果預(yù)計是一百萬太字節(jié)，一個巨大的，不可能理解大量的原始信息。

Kasthuri解釋了他對德雷塞爾大道(Drexel Avenue)在他實驗室附近的芝加哥大學醫(yī)學園的寒冷中躲避寒冷后的大量數(shù)據(jù)的渴望。對他而言，未來希望對大腦有著無與倫比的理解。

Kasthuri的實驗室正在使用Theta創(chuàng)建彩色圖表，顏色的斑點與廣泛的城市標題的循環(huán)迷幻相互移動。他們正在繪制的內(nèi)容與它看起來一樣詭異; 小片大腦的小片，固定并用顏色編碼，以顯示大腦結(jié)構(gòu)的微小水平。顏色斑點是神經(jīng)元和突觸，是心靈運動的途徑，每一個都記錄在稱為連接組的納米級地圖中。

研究人員認為，一個完整的連接組可以幫助解開認知和精神健康障礙的奧秘，并可能加深我們對各種生物大腦之間的差異和相似性的理解。在基礎(chǔ)層面，它將提供對當前研究中至關(guān)重要的大腦工作單位的了解。

目前，Kasthuri有興趣創(chuàng)建和比較來自不同類型動物大腦的部分連接體。目前，該實驗室正在研究與老鼠成癮相關(guān)的部分。與非上癮的小鼠連接組相比，小鼠上癮的可卡因連接組可以識別哪些神經(jīng)元受到成癮的影響。

“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn) - 似乎上癮的大腦中存在結(jié)構(gòu)性變化，”Kasthuri說。

研究小鼠大腦的結(jié)構(gòu)是一個微妙的過程，具有巨大的錯誤可能性。盡可能快地從小鼠中拔出大腦，并在抗擊死亡的比賽中保存了醛固定劑。在Argonne的掃描電子顯微鏡(SEM)中，大腦的一部分被重金屬污漬浸泡。脫水和塑化后，用一把原子寬的金剛石刀用熟料切割器樣品切片。對于典型的切割系統(tǒng)，樣品的切片和移動可能導(dǎo)致缺陷，當超級計算機涉及時可能會放大這些缺陷。

研究人員開始分析數(shù)據(jù)時，這些微小缺陷可能意味著巨大的問題，加州理工學院計算機和數(shù)學科學的Bren教授Animashree Anandkumar解釋說，他沒有參與該項目。“這些扭曲會導(dǎo)致虛假的相關(guān)性，”她說。

Kasthuri的解決方案很簡單 - 一種專有的輸送系統(tǒng)，能夠快速推出大腦切片，最大限度地減少人為錯誤。在他們乘坐傳送帶之后，通過SEM掃描樣品，產(chǎn)生堆疊的圖像數(shù)據(jù)。個體神經(jīng)元，突觸和其他結(jié)構(gòu)被形狀識別，追蹤，然后像在Photoshop中那樣著色，是像Kasthuri實驗室的研究生Anastasia Sorokina和Katrina Norwood這樣的學生所做的繁瑣但關(guān)鍵的工作。

Kasthuri實驗室成員Anastassia Sorkina，Katrina Norwood和Rafael Vescovi B David Zarley

不幸的是，人類永遠需要在每個單獨的結(jié)構(gòu)中進行數(shù)字化著色，并且分析結(jié)果會產(chǎn)生連接組學的主要瓶頸。Kasthuri的夢想 - 一個完整的小鼠大腦; “mouseshot” - 對于一個人來說幾乎是不可能的。他做了數(shù)學計算。地球上的每個人都能完美地工作，每天工作8小時，每周工作6天，完成項目仍需要500到1，000年。一百，如果你可以起草所有曾經(jīng)生活過的人。

答案是算法。具體而言，由Google AI和德國馬克斯普朗克神經(jīng)生物學研究所開發(fā)的洪水填充網(wǎng)絡(luò)。

Google AI的Viren Jain說：“當你在這些數(shù)據(jù)集中處理數(shù)十億甚至數(shù)萬億像素和數(shù)百萬億像素時，人類分析就無法實現(xiàn)。”

人類分析是不可行的

根據(jù)所使用的算法的架構(gòu)師之一Jain的說法，洪水填充算法以人們對著色書的方式來處理數(shù)據(jù)。它從一定的結(jié)構(gòu)開始 - 比如一個特定的神經(jīng)元 - 它會在轉(zhuǎn)移到其他人之前填充。這就是Theta的用武之地。

Argonne國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)計算設(shè)施團隊負責人Haritha Siddabathuni Som列出了超級計算機令人印象深刻的統(tǒng)計數(shù)據(jù) - 它是該設(shè)備最強大的超級計算機，占據(jù)了24個服務(wù)器機架，當它沒有映射鼠標大腦時，它正在處理其他大型數(shù)據(jù)集，包括一些來自歐洲核子研究中心的大型強子對撞機，窺視粒子物理學的奧秘。

Theta的Intel-Cray XC40硬件能夠達到11.69 petaflops，對于非專業(yè)人士來說，它真的很快。人類可以在大約2分鐘內(nèi)分析一立方微米的小鼠腦; 小鼠腦中有一萬億立方微米。雖然完成任務(wù)需要花費數(shù)百年的時間，但Kasthuri認為使用該算法的Theta可以在短短五年內(nèi)完成。

洪水填充算法利用Theta的馬力跟蹤，著色和編譯鼠標大腦數(shù)據(jù)，將其發(fā)送到Argonne的分析和可視化集群Cooley，后者生成酸性脫扣連接體。數(shù)據(jù)集將是開源的，可供任何和所有人查看和研究。

算法的方法比以前的選項好一個數(shù)量級。但即使使用最先進的算法和強大的超級計算機，整個鼠標連接器的進展仍然很慢。

一個完整的連接組是罕見的; 例如，在20世紀80年代后期，有一種蠕蟲線蟲。下一個完整的大腦可能是果蠅，一種科學戰(zhàn)馬; Janelia研究園區(qū)的FlyEM項目的目標是在一年內(nèi)發(fā)布大約1/3的果蠅大腦的完整連接，項目科學家斯蒂芬廣場通過電話說。

大約30年將C. elegans蠕蟲的完整連接體與果蠅大腦分開; 相比之下，Kasthuri希望在飛行的五年內(nèi)完成他的老鼠大腦，當然還有資金待決。即使與mouseshot相比，最終的目標也是大膽的：人腦的完整連接組。這項工作需要更多時間，而且還需要更大，更強大的超級計算機 Aurora 21，目前正在Argonne上建造。

Kasthuri在談到完整的人類連接可能揭開的可能性時傾向于進入。他想象能夠找到并解決由精神健康障礙和創(chuàng)傷性腦損傷引起的問題; 他想象的是，認知是否來自于建立聯(lián)系，或者像雕塑家對大理石一樣，將它們磨掉(他喜歡后者)。他和該領(lǐng)域的其他研究人員想象答案，這當然會激發(fā)更多的好奇心。

FlyEM團隊的廣場說：“我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，看看連接器基本上似乎是潘多拉盒子。” “不是為了答案，而是為了更多的問題。”