虛擬人腦(3/3)

虛擬人腦(3/3)
撰文／Henry Markram｜譯者／謝伯讓
轉載自《科學人》2012年9月第127期

建立巨型數位大腦模擬，將可改變神經科學與醫學，並找出製造更強大電腦的新方法。

(續前文)

計算的未來

最後一項重要議題則是電腦計算。最新一代的藍色基因電腦是千兆級的超級怪物，擁有將近30萬個處理器、配置於72台冰箱大小的空間中。它足以模擬小鼠大腦中兩億個神經元在細胞層級的複雜度，卻不足以模擬人腦中的890億個神經元。若想成功，我們需要百萬兆級的超級電腦才行，但即使那樣等級的電腦，也無法完全模擬人腦分子層次的複雜度。

世界各地的團隊都在競逐建造這種電腦。當它們完成後，就像前幾代超級電腦一樣，會用來模擬核子物理等機制。生物模擬有不同的需求，透過和大型電腦製造商以及其他產業夥伴的合作，我們的高效能運算專家將可以組裝一部足以模擬大腦的機器。他們也將發展出合適的軟體來打造統一的模型，能夠包含從粗略到細緻的各種解析度，讓我們得以透過模擬器來檢視分子、細胞或整個大腦。

有了大腦模擬器後，研究人員將透過軟體來產生樣本以進行模擬實驗，除了某些關鍵差異，基本上這就和生物標本實驗一樣。例如，設想一下科學家目前透過剔除小鼠某些基因的方式來尋找疾病的病因，他們必須先花錢費時培養小鼠，當基因剔除對胚胎產生致命後果時，實驗還會失敗，更別提那些與動物實驗相關的道德考量了。

透過虛擬大腦，科學家可以模擬基因剔除並觀察「人腦」在不同年紀及不同運作模式下的反應。他們可以在任何想要測試的情境中，透過相同的模型來重複實驗，以取得生物實驗中無法達到的全面性與完整性。這不僅可加速藥物研究人員尋找藥物作用目標的過程，也會改變臨床試驗的方法。篩選目標族群將會變得更容易，藥物如果無效或是副作用嚴重，也可以快速篩檢出來，整個研發製程都將變得更快速而有效率。

我們會從這些模擬的結果，得知演化如何塑造出充滿韌性、能快速且同時大量多工運行、擁有巨大記憶容量又非常省電（耗能程度和燈泡差不多）的大腦，而這些知識又將反過來改變我們對電腦的設計。

類似人腦的電腦晶片將被用來建造神經形態電腦。人腦計畫將會利用歐盟BrainScaleS計畫和SpiNNaker計畫的技術，在矽晶片上建構大腦迴路。

第一項全腦模擬將會欠缺人腦的一種基本特徵：不會像兒童的腦一樣會成長。從出生開始，大腦皮質必須經歷分化、遷移、神經修飾以及神經形塑（與個人成長經驗息息相關）等過程才能成型。我們的模擬會跳過數年的發育，而從特定的年齡開始，繼續吸收經驗。我們必須建立一套可以讓大腦模型根據外在環境刺激而改變反應的機制。

將虛擬大腦和模擬人體的軟體相連，並且放到擬真環境中時，就可立刻看出這個模型是否成功。接著這個虛擬大腦就能夠從周遭環境接收資訊並加以回應。達成這項目標之後，我們才能教導虛擬大腦各種技能，並判斷它是否真的具有智慧。我們知道人腦中有冗餘現象，也就是一個神經系統可以彌補另一個系統的功能，因此我們可以開始找尋哪個部份的腦功能是心智行為的重要關鍵。

人腦計畫引發了重要的道德議題。雖然人腦模擬才剛起步，我們可以問：建構可以超越人腦能力的虛擬人腦，或是可結合人類心智與超越IBM深藍電腦運算能力百萬倍的虛擬人腦，究竟是不是一種負責任的研究？

我們並不是唯一以高標準來改變過去片面式大腦研究方法的團隊。2010年5月，美國西雅圖的艾倫腦科學研究所啟動了艾倫人腦圖譜計畫，旨在建構人腦中所有活躍基因的圖譜。

此類研究的最主要限制應該都是經費問題。以我們的狀況為例，只有在經費充足時才有可能達成目標。超級電腦非常昂貴，人腦計畫的最終花費可能會等同或甚至超越人類基因組計畫。2013年2月，我們就會知道是否得到經費。在推動這項計畫時，我們相信它將會為大家帶來前所未有的見解，幫助我們明白︰人腦為什麼可以構思出卡拉瓦喬（Caravaggio）那種明暗對比強烈的畫作，以及思索量子物理學中的怪異悖論。(完)

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)