在英國薩塞克斯大學（University of Sussex），研究人員近日成功地利用現有的電腦軟硬體裝置對小鼠的部分大腦進行了模擬。這次模擬是利用現有裝置的大腦模擬試驗中，速度最快且能耗最低的。
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這次模擬是在薩塞克斯大學工程與資訊學院研發的GeNN（GPU enhanced Neural Network）系統上進行的。GeNN是一款專門用於執行大腦模擬程式的系統。正如其名，這套系統在硬體上是由圖形處理器（Graphic Processing Unit）驅動的。這次成功的大腦模擬結果發表在了2018年12月的《Frontiers in Neuroscience》上。
除了我們所熟知的中央處理器（Central Processing Unit, CPU），電腦中最重要的處理器就是圖形處理器（GPU）了。GPU主要負責圖形相關資訊的處理。在電腦科學領域，GPU因其優秀的圖形處理能力而日益受到科學家，特別是神經科學模擬領域專家的青睞。像此次小鼠大腦模擬的平臺，就是由GPU為核心的系統驅動的。
讓我們來用最直觀的方法來看一下研究人員是如何模擬小鼠大腦的吧。下方影片中的不同顏色代表了小鼠腦內不同型別的神經元，每一個閃爍的畫素點則反映了對應神經元的活動狀態。
影片來源：University of Sussex
為了實現對小鼠大腦的視覺化模擬，薩塞克斯大學的這個團隊使用了兩個已有的計算機神經模型：一個包含了八組神經元的皮質微電路（cortical microcircuit），和一個隨機平衡網路（balanced random network）。同時，用單核GPU來處理資訊，其速度比SpiNNaker神經形態系統（SpiNNaker neuromorphic system）和其他超級計算機快10%，能耗卻只有十分之一。
SpiNNaker神經形態系統由曼徹斯特大學研發，採用了和人腦神經元極為相似的模擬系統。它擁有一百萬個處理核心和1200個互相聯結的電路板（circuit board），是目前模擬人腦執行的最佳超級計算機之一。
目前，電腦科學領域普遍認為GPU的效率和靈活性可以在未來模擬大腦的模型中發揮關鍵性的作用。薩塞克斯大學電腦科學研究員James Knight博士很高興這項研究再一次證明了GPU在大腦研究領域的效用：“我們希望接下來可以透過多GPU晶片結合的方式把模型擴充到目前規模的50倍，用來研究猴子大腦的視覺系統。”
晶片技術和超級計算機的發展讓我們在探索神經科學的路上走得越來越快。能夠模擬小鼠和猴子大腦系統的模型正在誕生，能精確模擬人腦神經系統模型還遠嗎？
參考資料：
[1] Knight, et al., (2018). GPUs outperform current HPC and neuromorphic solutions in terms of speed and energy when simulating a highly-connected cortical model. Frontier in Neuroscience, https://doi.org/10.3389/fnins.2018.00941
[2] Computer hardware designed for 3D games could hold the key to replicating human brain. Retrieved Dec 29, 2018 from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-12/uos-chd121918.php
[3] A new supercomputer is the world’s fastest brain-mimicking machine. Retrieved Dec 29, 2018 from https://www.scientificamerican.com/article/a-new-supercomputer-is-the-worlds-fastest-brain-mimicking-machine/