为什么超级计算机需要映射鼠标大脑

在阿贡国家实验室内占地25,000平方英尺的房间内，世界上最强大的超级计算机之一--Theta--正在将其令人难以置信的计算能力应用于有史以来记录或分析的最大批量数据。这些信息是研究人员希望有朝一日可能有助于我们对智能本身的理解。

在这种情况下，所有数据都适合鼠标的头骨。

Theta目前使用由阿拉贡国家实验室的神经科学研究员Narayanan“Bobby”Kasthuri和芝加哥大学神经生物学助理教授逐步收集的数据集来绘制小鼠大脑的结构图。当采购完整的汤，坚果，最终结果预计是一百万太字节，一个巨大的，不可能理解大量的原始信息。

Kasthuri解释了他对德雷塞尔大道(Drexel Avenue)在他实验室附近的芝加哥大学医学园的寒冷中躲避寒冷后的大量数据的渴望。对他而言，未来希望对大脑有着无与伦比的理解。

Kasthuri的实验室正在使用Theta创建彩色图表，颜色的斑点与广泛的城市标题的循环迷幻相互移动。他们正在绘制的内容与它看起来一样诡异; 小片大脑的小片，固定并用颜色编码，以显示大脑结构的微小水平。颜色斑点是神经元和突触，是心灵运动的途径，每一个都记录在称为连接组的纳米级地图中。

研究人员认为，一个完整的连接组可以帮助解开认知和精神健康障碍的奥秘，并可能加深我们对各种生物大脑之间的差异和相似性的理解。在基础层面，它将提供对当前研究中至关重要的大脑工作单位的了解。

目前，Kasthuri有兴趣创建和比较来自不同类型动物大脑的部分连接体。目前，该实验室正在研究与老鼠成瘾相关的部分。与非上瘾的小鼠连接组相比，小鼠上瘾的可卡因连接组可以识别哪些神经元受到成瘾的影响。

“我们已经发现 - 似乎上瘾的大脑中存在结构性变化，”Kasthuri说。

传送带上的大脑

研究小鼠大脑的结构是一个微妙的过程，具有巨大的错误可能性。尽可能快地从小鼠中拔出大脑，并在抗击死亡的比赛中保存了醛固定剂。在Argonne的扫描电子显微镜(SEM)中，大脑的一部分被重金属污渍浸泡。脱水和塑化后，用一把原子宽的金刚石刀用熟料切割器样品切片。对于典型的切割系统，样品的切片和移动可能导致缺陷，当超级计算机涉及时可能会放大这些缺陷。

研究人员开始分析数据时，这些微小缺陷可能意味着巨大的问题，加州理工学院计算机和数学科学的Bren教授Animashree Anandkumar解释说，他没有参与该项目。“这些扭曲会导致虚假的相关性，”她说。

Kasthuri的解决方案很简单 - 一种专有的输送系统，能够快速推出大脑切片，最大限度地减少人为错误。在他们乘坐传送带之后，通过SEM扫描样品，产生堆叠的图像数据。个体神经元，突触和其他结构被形状识别，追踪，然后像在Photoshop中那样着色，是像Kasthuri实验室的研究生Anastasia Sorokina和Katrina Norwood这样的学生所做的繁琐但关键的工作。

不幸的是，人类永远需要在每个单独的结构中进行数字化着色，并且分析结果会产生连接组学的主要瓶颈。Kasthuri的梦想 - 一个完整的小鼠大脑; “mouseshot” - 对于一个人来说几乎是不可能的。他做了数学计算。地球上的每个人都能完美地工作，每天工作8小时，每周工作6天，完成项目仍需要500到1，000年。一百，如果你可以起草所有曾经生活过的人。

计算机着色书

答案是算法。具体而言，由Google AI和德国马克斯普朗克神经生物学研究所开发的洪水填充网络。

Google AI的Viren Jain说：“当你在这些数据集中处理数十亿甚至数万亿像素和数百万亿像素时，人类分析就无法实现。”

根据所使用的算法的架构师之一Jain的说法，洪水填充算法以人们对着色书的方式来处理数据。它从一定的结构开始 - 比如一个特定的神经元 - 它会在转移到其他人之前填充。这就是Theta的用武之地。

Argonne国家实验室领导计算设施团队负责人Haritha Siddabathuni Som列出了超级计算机令人印象深刻的统计数据 - 它是该设备最强大的超级计算机，占据了24个服务器机架，当它没有映射鼠标大脑时，它正在处理其他大型数据集，包括一些来自欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，窥视粒子物理学的奥秘。

Theta的Intel-Cray XC40硬件能够达到11.69 petaflops，对于非专业人士来说，它真的很快。人类可以在大约2分钟内分析一立方微米的小鼠脑; 小鼠脑中有一万亿立方微米。虽然完成任务需要花费数百年的时间，但Kasthuri认为使用该算法的Theta可以在短短五年内完成。

洪水填充算法利用Theta的马力跟踪，着色和编译鼠标大脑数据，将其发送到Argonne的分析和可视化集群Cooley，后者生成酸性脱扣连接体。数据集将是开源的，可供任何和所有人查看和研究。

算法的方法比以前的选项好一个数量级。但即使使用最先进的算法和强大的超级计算机，整个鼠标连接器的进展仍然很慢。

一个完整的连接组是罕见的; 例如，在20世纪80年代后期，有一种蠕虫线虫。下一个完整的大脑可能是果蝇，一种科学战马; Janelia研究园区的FlyEM项目的目标是在一年内发布大约1/3的果蝇大脑的完整连接，项目科学家斯蒂芬广场通过电话说。

大约30年将C. elegans蠕虫的完整连接体与果蝇大脑分开; 相比之下，Kasthuri希望在飞行的五年内完成他的老鼠大脑，当然还有资金待决。即使与mouseshot相比，最终的目标也是大胆的：人脑的完整连接组。这项工作需要更多时间，而且还需要更大，更强大的超级计算机 Aurora 21，目前正在Argonne上建造。

Kasthuri在谈到完整的人类连接可能揭开的可能性时倾向于进入。他想象能够找到并解决由精神健康障碍和创伤性脑损伤引起的问题; 他想象的是，认知是否来自于建立联系，或者像雕塑家对大理石一样，将它们磨掉(他喜欢后者)。他和该领域的其他研究人员想象答案，这当然会激发更多的好奇心。

FlyEM团队的广场说：“我们经常发现，看看连接器基本上似乎是潘多拉盒子。” “不是为了答案，而是为了更多的问题。”

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