在瑞士洛桑联邦理工学院的办公室和他研究的神经中枢之间四分之一英里的步行路程中，亨利·马克拉姆感受到了人与机器之间迅速缩小的差距。在某个地方，他经过一个博物馆般的陈列柜，里面摆满了旧超级计算机的遗物，这些是对其技术局限性的纪念。旅程结束时，他面对着他的IBM Blue Gene/P——闪亮、黑色，一侧像跑车一样倾斜。这台新超级计算机是蓝脑计划的核心，任务是模拟活体大脑运作的各个方面。
马克拉姆，47岁，是洛桑联邦理工学院脑心研究所的创始人兼联席主任，也是该项目的领导者和倡导者。这位南非神经科学家在以色列魏茨曼科学研究所获得博士学位，并作为富布赖特学者在美国国立卫生研究院学习。在过去的15年里，他和他的团队一直在收集关于新皮层的数据，新皮层是大脑中让我们思考、说话和记忆的部分。该计划是利用这些研究数据创建一个哺乳动物大脑的综合三维模拟。这样一个与生物大脑的所有行为和结构相匹配的数字再创造，将为研究认知和抑郁症、精神分裂症等疾病的根本性质提供前所未有的机会。
直到最近，还没有一台计算机强大到足以将我们所有关于大脑的知识应用到模型中。Blue Gene改变了这一点。它包含四台巨大的冰箱大小的机器，每台机器都以每秒56万亿次浮点运算（teraflops，即每秒一万亿次浮点运算）的峰值速度处理数据。每机架200万美元，这台Blue Gene并不便宜，但它足够实惠，让马克拉姆有机会实施这个雄心勃勃的项目。Blue Gene的16,000多个处理器中的每一个都用于模拟大约一千个虚拟神经元。通过让神经元相互作用，马克拉姆的团队使计算机像大脑一样运行。在试运行中，马克拉姆的Blue Gene只模拟了一只两周龄大鼠的一个新皮层柱。但原则上，随着模拟大脑试图与创造者头脑中的大脑相媲美，它将变得越来越强大。“我们已经完成了第一阶段，对我们来说，这是概念验证，”马克拉姆说。“我认为，我们可以明确地说，构建大脑模型是可能的。”事实上，他坚持认为，在十年内可以构建一个功能齐全的人脑模型。马克拉姆花了一些时间向《发现》杂志解释这是如何实现的。
大多数人——甚至大多数科学家——仍然认为大脑的内部运作是一个谜。然而，你不仅相信自己能理解大脑，而且实际上还能重现它。你看到了别人没看到什么？ 每个人都同意大脑是一个非凡的机器。它能够产生大量的现象，其中一些非常明显，另一些则不那么明显。但我认为，最终，许多事情都会有一些非常基本的解释：情感、意识、觉知、注意力、感知、识别。我们必须解决一些基本问题，但我认为它们之所以是问题，只是因为我们陷入了两种旧的思维范式。
我们需要摆脱哪些过时的范式？ 第一种与大脑如何表示信息有关，我称之为动作电位范式。这是一种基于尖峰的范式。神经元产生活动尖峰。你可以把这些尖峰看作是数字：零和一。单个尖峰没有足够的信息来表示感知。当前的感知观点是基于分析这些零和一，并试图分解或逆向工程这些零和一捕获的表示。但我认为这些零和一——由单个神经元产生或发出的信息——是感知的反映，而不是感知本身。
很多人研究这些单一尖峰。我们与“蓝脑”项目所做的工作就像一场哥白尼式的革命，因为我们想把事情颠倒过来，说神经表征不在尖峰中。它在细胞体之前的分支中。当这种新的思维方式开始流行时，我认为它将打开许多关于感知是什么的门——以及从感知中认识到识别是什么，从识别中认识到记忆是什么，然后是更高级的功能，如意识或情感。
阻止我们的另一个主要误解是什么？ 50年来，尽管有各种相反的证据，我们一直认为记忆是你在大脑中刻下变化的地方。你走到你的突触，你走到你的神经元，当你记住一些东西时，你改变了它们。然后你必须保护这些变化。这是一个印记。它被称为记忆痕迹。成百上千的科学家一直在追逐这个记忆痕迹。记忆的印记在大脑的什么地方？他们认为它像一道疤痕，一个标记。这是神经科学中最根本的错误之一。我之所以说它是一个错误，原因很简单。所有证据都表明神经元不会重置。突触不会重置。它们总是不同的。它们每毫秒都在变化。你今天的大脑和你10岁时的大脑非常非常不同，然而你可能对10岁时有深刻的记忆。神经科学必须回答的问题是：当你的大脑现在实际上不同时，你如何记住很久以前的事情？
太多物理学家转入神经科学，说：“哦，这一定是某种统计分布式记忆，所以即使它被覆盖，仍然会留下一些痕迹。”在我们看来，记忆在大脑中存储方式与计算机存储方式相同的想法是根本错误的。
所以，我们陷入了这两种范式。我认为破解它们将改变很多关于大脑之谜的事情。
一个模拟如何破解大脑之谜？难道你不需要在模拟它之前理解它吗？
要理解蛋白质在整个大脑中的行为方式，你需要将其置于整个大脑中。你需要对其进行操作，改变其参数，取出，放入，进行突变。我们需要灵活地探索成千上万、数百万个参数。模型是一种方法——但不是人们一直在使用的那种模型。我指的是真实的、生物学上受限的模型。关于“蓝脑”最严重的误解是人们认为我们正在做模型项目。实际上，“蓝脑”更多的是逆向工程，查看所有数据，标准化数据，将信息纳入一个框架，甚至可以对其进行基于相关性的科学研究，构建自动化工具将这些数据合成为生物学现象。我认为这个过程是生命的虚拟化，大脑的虚拟化。
您是如何着手这个庞大而激进的项目？ 在我们做这个项目之前，即使模拟一个神经元也需要三年的博士项目。而且你需要一台非常强大的计算机来运行那个单个神经元的模拟。你需要整个过程。当然，今天的计算机功能更强大了，我可以运行100个神经元的模拟。但是运行100个神经元的模拟并没有实际意义。原因很简单：神经元生活在一个环境中。它接收成千上万个输入。所以实际上你需要从一个神经元实现质的飞跃到10,000个神经元。你需要实现我们所说的微电路的飞跃。一个由五个神经元组成的电路并不是哺乳动物大脑的组成部分。要模拟构成哺乳动物大脑的神经回路，你需要实现复杂度的质的飞跃。你至少需要10,000台计算机才能做到这一点。而Blue Gene就是这样——16,000个处理器挤在四个冰箱大小的空间里。对我们来说，拥有那么多处理器很重要，因为每个处理器都有1,000个神经元。处理器本身不必非常强大。它们只需要足够的内存来容纳神经元。
你模拟的不是人脑或猴脑，而是非常具体的东西——两周大老鼠的新皮层柱。为什么选择这组特定的神经元？ 蓝脑是一个生物驱动项目，这意味着我们致力于将生物元素、过程和原理捕捉为数学模型，然后运行模拟以观察它们如何模拟生物学。我们正在尝试尽可能准确地在软件中重现生物学。我不准备牺牲大量的猫或灵长类动物——这项研究需要解剖大脑并将模拟与真实情况进行比较——所以我们必须选择老鼠或大鼠。然后问题是关注哪个大脑区域。尽管新皮层是最先进的区域，但它更有序和组织，因此实际上更易于处理。如果你进入脑干或大脑的其他皮层下区域，神经元没有明显的特征。它们有各种形状。两周大的动物实际上是理想的，因为在这个阶段，大脑切片可以非常好地保存24到48小时。这个年龄段的电路将达到成年阶段最终状态的75%到80%。它为我们提供了大脑回路的模板。一旦我们有了模板，我们就会寻找变异，然后我们就可以模拟发育。我们现在可以模拟更年轻的柱，也可以模拟更老的柱。当我们发现物种之间的主要差异时，我们也将能够开始模拟和建模进化。
你的实验已经进行了四年多。到目前为止，你对大脑中的神经过程了解了什么？ 出现的一个非常有趣的特性是一种叫做伽马振荡的电活动节律。它在某个星期当我们增加了生物模拟的步骤时出现了。我们没有试图把它构建进去——它就是出现了。伽马振荡是意识的基础，根据一个著名的理论。该理论认为，当大脑进入高频（40到80赫兹）振荡时，这些振荡会进行感知绑定，这是意识的基础。不过，我不认为蓝脑目前是有意识的。
重要的是我们没有专门尝试在大脑中模拟这种现象。我们所要做的就是关注我们正在正确地构建它，这些现象就会出现。整个电路进入这种共振状态，这是一种令人惊叹的状态。现在我们可以解剖电路，找出究竟哪些神经元是关键的，哪些通路，哪些受体等等。
随着我们更接近生物学，电路开始以越来越高的精确度、准确性和优雅性展现出我们在实验中发现的实际生物现象。这非常令人鼓舞，因为模型可能走向任何其他方向。它可能根本不起作用。随着你加入越来越精细的参数，它可能会开始做各种你不想或不期望它做的事情。
你还能用“蓝脑”来解决医学问题——研究神经疾病的性质吗？ 实际上，这是研究它们的唯一方法。当你打开这个大脑皮层柱并运行它时，你会想，天哪，今天没有一种神经系统疾病能让人知道这个回路中哪里出了故障——是哪个通路、哪个突触、哪个神经元、哪个受体。医生甚至不知道这对于任何一种药物来说意味着什么——我是说，这是一个数十亿美元的产业！——他们给帕金森病、抑郁症、精神分裂症、注意力缺陷、自闭症、痴呆症、阿尔茨海默病患者服用的药物。当他们给药时，他们不知道它对这个处理器做了什么。而新皮层柱是人类拥有连贯感知、注意力和记忆的基本处理器。这令人震惊。我的意思是，我们生活在一个医学如此原始的时代，你无法想象。
您的工作如何填补理解上的空白？如果你有一个能够体现所有关键参数的模型，你就可以开始探索疾病的假设。当你调整模型时，你可以看到会发生什么样的病理。你将能够非常精确地找出出了什么问题。如果电路的某个部分出现故障，它将显示出某些症状。你实际上可以模拟和测试不同疾病的假设。如果我们知道哪些通路出了故障，那么我们就可以看看它对电路意味着什么，它不能处理什么样的信息。这可以通过模拟药物对电路的影响来指导药物发现。你将确切地了解它是如何运作的，它正在改变什么。药物发现非常昂贵，仅仅是为了找出一种药物可能或不可能奏效以及它的所有副作用。模拟可以将药物发现成本削减70%或80%。我们称之为硅基药物发现——基于模拟的药物发现——将是未来。
模拟大脑多久能带来治疗我们真实大脑的新药？ 我们已经处于原型阶段。我们已经可以有限规模地开始了。但我认为这将在未来两三年内实现。随着模型变得越来越强大，其影响范围将扩展到越来越多的神经病学和精神病学领域。
“蓝脑”项目的下一个重要里程碑是什么？特别是，什么时候才能模拟人脑，而不仅仅是鼠脑的一部分？ 这是一个规模和分辨率的问题。下一阶段将是向全脑模型大规模扩展，以及向非常详细的分子层面模型扩展。从技术上讲，在计算机和数据获取技术方面，十年内将有可能构建人脑模型。实际上，唯一的限制是资金。但我们正在一步步地进行。下一步应该在三年内实现大鼠的全脑模型以及大鼠大脑中2亿个神经元相互作用的详细分子层面模型。这将为实现下一步跳跃到猫、灵长类动物和人脑模型提供大部分关键的垫脚石，这些将几乎并行发生。
我们在这个项目中意识到最重要的事情之一是，你不需要知道生物学是如何运作的100%。因为当你输入5%或10%的数据后，它就开始约束几乎所有其他数据。这意味着你实际上可以在不知道之前是什么的情况下学习其余部分，所以最终它只会变得更快。当你添加更多约束时，它就像一个加速过程。我的预测是，在我们完成构建大脑之前，我们将远远地理解大脑的设计和功能。
如果构建人脑的完整模拟主要是一个资金问题，那需要多少钱？ 很多。比人类基因组计划多得多。需要超级计算机。还需要研究人员，因为不仅仅是我们，而是一个将不得不大大扩展的联盟。单是计算机就可能花费数亿美元，甚至可能达到十亿美元。然后你需要描述大脑组成和结构的数据——比如大脑中蛋白质的数量、种类、它们如何相互作用、细胞密度等。这些数据需要更多地来自工业界，而不仅仅是科学实验室。我们需要获得工业规模的数据，而这实际上将是一笔巨大的开支。
那接下来呢？一旦我们模拟出人脑，我们能否体验并重现一个人的思想中发生的一切？ 这其实并不复杂。为了阅读你的思想，我需要能够观察你的模式，并且我需要能够将它们转换成可读的输出。我必须能够翻译这种活动。这就是神经编码。我需要理解它，阅读它，解码它。
随着我们越来越擅长解码神经信息，我认为这不会是什么大问题。如果我们能提取信息，这更多的是技术限制。你能提取它吗？你能获得足够的采样吗？你能测量活动状态吗？做这些事情的技术正在大大改进。我们离神经代码非常近。所有迹象表明，它将在未来几年内大幅改进。
届时我们能够模拟意识吗？或者更令人震惊的问题——届时模拟本身是否会拥有意识？ 很难说意识的出现需要多少细节。我确实相信意识是一种涌现现象。它就像从液体到气体的转变。它是一种属性。它是一个新阶段。它就像一台机器必须足够快地运行，然后突然飞起来。这就是我们在这个项目中或许能够发现的——机器真正起飞并变得有意识需要多少细节。
有些人说你是在扮演上帝。你有没有过这种感觉？ 作为科学家，我们不应该害怕真相。我们需要了解我们的大脑。人们认为大脑是神圣的，我们不应该篡改它，因为它可能蕴藏着灵魂的秘密，这很自然。但我坦率地认为，如果地球上的人类都能理解大脑是如何运作的，我们就能解决世界各地的冲突。因为人们会明白冲突、反应和误解是多么微不足道、多么决定论、多么受控制。这些行为是从何而来的？答案是可以理解、可处理、可追溯的。我们不应该为某些可能仅仅是因为大脑某个部位的化学反应而死。
我认为理解大脑将是一次巨大的觉醒。它很可能对人类至关重要。我认为我们离扮演上帝还很远。上帝创造了整个宇宙。我们只是想构建一个小模型。
