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大腦模擬

十月 06, 2023

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） 编辑

 
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 编辑

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 编辑

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 编辑

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 编辑

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 编辑

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：

  • 神經資訊學（共享資料庫），
  • 大腦模擬
  • 高性能分析和計算
  • 醫學資訊學（患者資料庫）
  • 神經形態計算（腦啟發運算）
  • 神經機器人學（機器人模擬）。

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 编辑

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 编辑

 

  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 (PDF)于2019-07-18）. 
  11. ^ How does complex behavior spontaneously emerge in the brain?. [2018-02-27]. （原始内容于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]. （原始内容于2023-02-10）. 
  14. ^ News and Media information. Blue Brain. [2008-08-11]. （原始内容于2008-09-19）. 
  15. ^ Supercomputer Mimics Mouse's Brain. Huffington Post. 2008-03-28 [2018-06-05]. （原始内容于2015-08-22） （美国英语）. 
  16. ^ Mouse brain simulated on computer. BBC News. 27 April 2007 [2021-08-17]. （原始内容于2017-08-25）. 
  17. ^ . ScienceDaily. August 2, 2013 [2020-11-25]. （原始内容存档于2021-01-04）. 
  18. ^ . 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]. （原始内容于2020-11-26）. 

十月 06, 2023
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, 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, 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. 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 目录 1 秀麗隱桿線蟲 蛔蟲 2 果蠅神經系統 3 老鼠大腦成像和類比 4 藍腦和老鼠 5 超級電腦 京 和人腦 6 人腦計劃 7 開源大腦模擬 8 參考文獻秀麗隱桿線蟲 蛔蟲 编辑 nbsp 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 编辑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 编辑亨利 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 编辑藍腦計畫是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 编辑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 编辑人腦計畫 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 神經資訊學 共享資料庫 大腦模擬 高性能分析和計算 醫學資訊學 患者資料庫 神經形態計算 腦啟發運算 神經機器人學 機器人模擬 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 编辑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 编辑 C Elegans simulation 页面存档备份 存于互联网档案馆 Open source software project at Github 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 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 Neuroinformatics and The Blue Brain Project Informatics from Technology Networks 2018 01 30 原始内容存档于2020 12 19 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 Niebur E Erdos 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 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 C Elegans simulation 页面存档备份 存于互联网档案馆 Open source software project at Github 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 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 How does complex behavior spontaneously emerge in the brain 2018 02 27 原始内容存档于2020 11 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 Project Milestones Blue Brain 2008 08 11 原始内容存档于2023 02 10 News and Media information Blue Brain 2008 08 11 原始内容存档于2008 09 19 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 Mouse brain simulated on computer BBC News 27 April 2007 2021 08 17 原始内容存档于2017 08 25 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 Largest neuronal network simulation to date achieved using Japanese supercomputer Julich Forschungszentrum August 2 2013 2020 11 25 原始内容存档于2019 05 21 Brain Simulation Platform Human Brain Project 20 January 2018 原始内容存档于2020 12 29 C Elegans simulation 页面存档备份 存于互联网档案馆 Open source software project at Github 1 页面存档备份 存于互联网档案馆 Neurokernel open source fruit fly brain simulation 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 Elysia 2021 08 17 原始内容存档于2020 09 10 2 页面存档备份 存于互联网档案馆 spaun2 0 brain simulation Overview Blue Brain Project Showcase Open Source Brain Open Source Brain May 5 2020 原始内容存档于2020 11 26 取自 https zh wikipedia org w index php title 大腦模擬 amp oldid 78169727, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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