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第四章 模拟大脑1（第1页）

模拟大脑

光遗传学是第一步，也是初步的一步。第二步是要利用最新的技术模拟整个大脑。至少有两种方法解决这个庞大的问题，需要几十年艰苦的工作。首先是利用超级计算机模拟几十亿个神经元的行为，每个神经元又与几千个其他神经元相连接。另一个方法是实际找出每个神经元在大脑中的位置。

模拟大脑第一个方法的关键是简单的，依靠计算机的能力。计算机越大越好。无情的力量和不雅的理论也许是解决这个巨大问题的关键。“蓝色基因”（BlueGene）也许是能够完成这个巨大任务的计算机。它是由IBM建造的地球上最强大的计算机。

当我游历位于加利福尼亚的劳伦斯利弗莫尔（LawrenceLivermore）国家实验室时，我有机会参观了这个像怪物一样的计算机，也是在这个地方他们为五角大楼设计氢弹头。它是美国首要的顶级秘密的武器实验室，占地790英亩（4799亩）的综合体，在一个乡村农村的中间，每年预算12亿美元，雇佣6800人。它是美国核武器军事组织的心脏。我必须通过很多道安检才能见到它，因为它是地球上最敏感的武器实验室。

最后，通过了一系列检查站，我进入了摆放IBM“蓝色基因”计算机的大楼，它的计算速度惊人，每秒500万亿次。“蓝色基因”非常壮观，占地1平方英里（2.59平方公里），由一排一排的喷成黑色的橱柜组成，每一个约8英尺（2.44米）高，15英尺（4.57米）宽。

当你走在这些橱柜之间时，你的体验是完全不同的。在好莱坞的科幻影片中，计算机有大量的闪烁的光、旋转的盘、划破空间的电闪，而这些橱柜却是完全安静的，只有微弱的光在闪。你认识到这个计算机在做每秒万亿次的复杂计算，但它工作时，你什么也听不到，什么也看不到。

让我感兴趣的是，“蓝色基因”正在模拟的是老鼠大脑的思维过程。老鼠的大脑有200万个神经元，而我们有1000亿个神经元。模拟老鼠大脑的思维过程比我们想的要艰难，因为每个神经元与很多其他神经元相连，形成一个密集的神经网络。但是当我走在构成“蓝色基因”的一排一排控制台时，我禁不住吃惊，这个令人惊骇的计算能力只能模拟老鼠的大脑，而且只有几秒钟。（这并不意味“蓝色基因”能够模拟老鼠的行为。在目前，科学家只能勉强模拟蟑螂的行为。更确切地说，“蓝色基因”可以模拟在老鼠中发现的神经元激活，而不是它的行为。）

事实上，有几个组都集中精力在模拟老鼠的大脑上。一个野心勃勃的企图是位于瑞士的洛桑理工学院（écolePolyteiqueFédéraledeLausanne）的亨利·马克拉姆（HenryMarkram）的“蓝色大脑”项目。它开始于2005年，那时它得到了一个小型的“蓝色基因”计算机，仅有16000个处理器，但是在一年之内它成功地模拟了老鼠大脑的新皮层单元，即大脑新皮层的一部分，其中含有1万个神经元和1亿个连接。这是一个标志性的研究，因为它意味着完整地分析大脑一个重要成分——神经元与神经元——的结构分析在生物上是可能的。（老鼠的大脑由几百万个这样的单元组成，一再重复。这样，只要模拟这些单元中的一个，就可以理解老鼠的大脑是如何工作的。）

在2009年，马克拉姆乐观地说：“现在构建一个人类的大脑是不可能的，但在10年时间里我们将能够做到。如果我们正确地构建它，它应该像人一样说话，有智力，像人一样行动。”然而，他警告说，做到这一点需要的超级计算机需要比现在的超级计算机强20000倍，内存存储为当前因特网总内存的500倍。

因此，妨碍实现这个庞大目标的障碍在哪儿呢？对他来说，问题很简单：钱。

因为基础科学是知道的，他感到只要投钱进去就能成功。他说：“不是多少年的问题，是钱的问题……它是一个是否社会想要它的问题。如果他们想在10年要它，过10年他们就会有它。如果他们想1000年要它，我们就等吧。”

但是一个与其竞争的小组也在研究这个问题，聚集了历史上最大的计算能力。这个小组利用最先进的“蓝色基因”计算机，叫做“黎明”，基地也在利物浦。“黎明”计算机看上去让人敬畏，有147456个处理器，150万亿字节内存。比我们桌上的计算机大约强10万倍。这个小组在达曼德拉·莫德哈（DharmendraModha）领导下取得了一系列成功。在2006年，它能够模拟小白鼠大脑的40％。在2007年，它能够模拟老鼠大脑的100％。（老鼠的大脑含有5500万个神经元，比小白鼠大脑多得多。）

在2009年，这个小组又打破另一个世界纪录。他们成功地模拟了人的大脑皮层的1％，或大约等于猫的大脑皮层，含有16亿个神经元，9万亿个连接。然而，模拟的速度很慢，大约为人脑速度的1600。（如果仅模拟10亿个神经元，模拟速度就快得多，大约是人脑速度的183。）

“这是一个智力的哈勃望远镜，一个大脑的线性加速器。”莫德哈在评论这个巨大的成就的时候这样说。因为大脑有1000亿个神经元，这些科学家已经看到了隧道端头的光线。他们感到完全模拟人的大脑已指日可待了。“这不只是可能的，也是不可避免的，一定会实现。”莫德哈说。

然而，要模拟人的整个大脑，这里有个严重的问题，特别是功率和热。“黎明”计算机消耗100万瓦的功率，产生的热量是如此之多，需要6675吨的空调设备，每分钟要吹270万立方英尺（7.65万立方米）的冷空气。要模拟人的大脑，消耗的功率就不得不再上升1000倍。

这确实是一个不朽的任务。这个假想的超级计算机的功率消耗将是10亿瓦，相当于一个核电站的全部输出。用这个计算机消耗的能量可以照亮整个城市。要冷却它需要一条河流的全部河水和让河水流过计算机的渠道。这个计算机本身要占据城市的很多街区。

这确实是一个不朽的任务。这个假想的超级计算机的功率消耗将是10亿瓦，相当于一个核电站的全部输出。用这个计算机消耗的能量可以照亮整个城市。要冷却它需要一条河流的全部河水和让河水流过计算机的渠道。这个计算机本身要占据城市的很多街区。

令人惊讶的是，与之相反，人的大脑只用20瓦。人的大脑产生的热量几乎注意不到，然而它的性能却轻而易举地超过了我们最好的超级计算机。此外，人的大脑是大自然母亲在银河系的这一部分创造的最复杂的物体。因为在我们的太阳系看不到有其他具备智能生命形式存在的迹象，这意味着我们不得不至少走出24万亿英里（38.6万亿公里），去到最近的星球，甚至要走得更远才有可能发现像我们的大脑一样复杂的物体。

我们也许能够在10年的时间内拆解和分析大脑，但是只有当我们拥有宏伟的像“曼哈顿”那样令政府破产的项目，倾注几十亿美元在里面才有可能。然而，由于当前的经济气候，这不大可能很快发生。像“人类基因组”那样让政府破产的计划，耗费将近30亿美元，是美国政府支持的，因为它有明显的健康和科学价值。然而，拆解分析大脑的利益则不是太紧迫的，因此需要更长的时间。更现实的是，我们在一小步一小步地接近这个目标，也许需要几十年才能实现这个历史壮举。

因此，计算机模拟大脑也许要到本世纪中期。即使这样，还要几十年分析从这个重大的项目得出的堆积如山的数据，并使这些数据与人脑相匹配。如果没有有效处理这些数据的方法，我们将会被淹没在数据的海洋里。

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