从他在瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的办公室到校园内他的研究神经中枢，亨利·马克拉姆（Henry Markram）步行四分之一英里，敏锐地意识到人与机器之间的差距正在迅速缩小。在某个地方，他经过一个博物馆般的陈列，里面摆满了旧超级计算机的遗物，那是对它们技术局限性的纪念。行程的最后，他面对着他的IBM Blue Gene/P——闪亮、黑色，一侧倾斜，如同跑车。这台超级计算机是“蓝色大脑计划”（Blue Brain Project）的核心，其任务是模拟活体大脑运作的各个方面。
马克拉姆，49岁，是洛桑联邦理工学院脑心研究所的创始人兼联合主任，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17年里，他和他的团队一直在收集新皮层的数据，新皮层是让我们思考、说话和记忆的大脑部分。他们的计划是构建能够利用基本生物学规则，对哺乳动物大脑进行全面三维模拟的软件——最终包括人类大脑。这种能够匹配生物大脑所有行为和结构的数字重现，将为研究认知和抑郁症、精神分裂症等疾病的本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于模型。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（一万亿次浮点运算等于一万亿次浮点运算）的峰值速度处理数据。每机架200万美元，这台Blue Gene价格不菲，但其可承受性足以让马克拉姆有机会完成这项雄心勃勃的项目。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。该系统旨在模拟两周大老鼠的一个新皮质单元，但他希望使其更强大，使用更多的设计规则来构建更准确和更大的模型，最终可以尝试与创建者头脑中的那个大脑相媲美。该项目现在正在争取未来10年获得10亿欧元（约14亿美元）的资助，这得益于欧盟支持的一项大型科学倡议。马克拉姆的人类大脑项目联盟去年春天被选为半决赛选手；最终决定将于明年做出。马克拉姆相信，通过提高处理能力以获取更多数据并推导出更多规则，一个功能齐全的人类大脑模型可以在未来十年之交建成。届时，超级计算机应该能够每秒进行十万万亿次（10^18）计算，这是这些首次模拟所必需的。马克拉姆与《发现》杂志撰稿人戴维·库什纳（David Kushner）交谈，阐述了他将大脑数字化形式的愿景。
大多数人——甚至是大多数科学家——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台了不起的机器。它能够产生大量的现象，有些非常明显，有些则不太明显。但我认为，最终会有一些非常基本的解释来解释许多事物：情感、意识、注意力、感知、识别。我们必须解决几个基本问题，但我之所以将它们视为问题，仅仅是因为我们陷入了两种旧的思维范式。
我们需要克服哪些旧的思维方式？
首先是关于大脑如何表示信息，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。当前对感知的看法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所捕获的表示。但我认为，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。
许多人研究这些单个尖峰。我们与“蓝色大脑”项目所做的工作就像一场哥白尼式的革命，因为我们想扭转局面，说神经表征不在于尖峰。它存在于尖峰之外、细胞体之前的分支中。当这种新的思维方式开始流行时，我认为它将为感知是什么——以及从感知中，识别是什么，从识别中，记忆是什么，以及更高层次的功能，如意识或情感——打开许多大门。
阻碍我们的另一个大误解是什么？
五十年来，我们一直认为记忆，尽管所有证据都表明相反，是你大脑中印刻变化的地方。你去你的突触，你去你的神经元，当你记住某件事时，你改变它们。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。记忆在大脑中的印记在哪里？他们认为它像一个伤疤，一个标记。这是神经科学中最根本的错误之一。我之所以说这是一个错误，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。你今天的大脑与你十岁时的大脑非常非常不同，然而你可能对十岁时的事情有深刻的记忆。神经科学必须回答的问题是：当你的大脑现在实际上已经不同时，你是如何记住很久以前的事情的？
我们有太多的物理学家进入神经科学领域，然后说：“哦，它一定是某种统计分布式记忆，所以即使它被覆盖了，仍然会留下一些痕迹。”在我们看来，记忆存储在大脑中的方式与存储在计算机中的方式相同的想法是根本错误的。
所以，我们陷入了这两个范式。我认为破解它们将改变很多关于大脑之谜的事情。
模拟如何破解大脑之谜？难道你不需要在模拟之前先理解它吗？
要了解蛋白质在整个大脑环境中的行为，你需要将它放入整个大脑中。你需要玩弄它，改变它的参数，取出它，放入它，进行突变。我们需要灵活性来探索数千、数十万、数百万个参数。模型是做到这一点的一种方式——但不是人们一直在使用的那种模型。我指的是真实的、受生物学限制的模型。关于“蓝色大脑”最严重的误解是人们认为我们正在做一个建模项目。实际上，“蓝色大脑”更多的是关于逆向工程，查看所有数据，标准化数据，将信息整合到一个框架中，甚至可以在其上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现象。我将这个过程视为生命虚拟化，大脑虚拟化。
你构建神经模型的方式有什么新颖之处？
我们正在寻找最基本的生物学规则，最终将解释大脑是如何从基因中产生的。大脑经过数十亿年的进化，包含许多许多规则。如果你能忠实地用数学来描述它们，你也能构建出真实的大脑模型。这些规则包括控制大脑中不同类型细胞如何诞生、如何在脑中定位、如何相互连接形成一个拥有万亿突触的网络，以及蛋白质如何在单个神经元和突触中组织起来使其运作。
首先，我们使用了我的实验室收集的非常标准化的数据，但我们现在也在网上搜索其他实验室的数据，寻找模式来推断规则。然后，我们建立数学模型，并在模拟中根据实验数据进行测试。如果在模拟中测试这些规则，很容易看出它们的准确性。
许多科学家曾尝试提出最简单的模型，然后对其进行微调和训练以使其变得智能。我想要理解大脑的复杂性，所以我尽可能地构建最复杂的模型，并尽可能严格地遵循生物学规则。如果你只是尽可能忠实地遵循规则，构建复杂模型要容易得多。而当你试图捏造规则时，就像人工智能中所做的那样，就会变得非常困难，甚至不可能。
如果模型构建正确，大脑的特性将在不需要编程的情况下自行显现。关键不在于得到一个巧妙的模型。构建模型的过程实际上揭示了一个路线图，可以发现生物学用来构建大脑的所有基本规则。这些都是通向完全理解大脑的步骤。
这样一个庞大而激进的项目是如何启动的？
在我们做这个之前，模拟一个神经元都需要一个三年的博士项目。而且你需要一台非常强大的计算机来运行一个神经元的模拟。你需要整个过程。当然，今天的计算机功能更强大，我可以运行100个神经元的模拟。但进行100个神经元的模拟实际上没有意义。原因很简单：一个神经元生活在一个环境中。它接收数千个输入。所以实际上你需要从一个神经元实现量子飞跃到10,000个神经元。你需要实现我们所说的微电路的飞跃。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，你需要进行复杂性的量子跳跃。你需要至少10,000台计算机来完成这项工作。这就是Blue Gene——16,000个处理器被压缩到四个冰箱大小的空间里。对我们来说，拥有这么多处理器很重要，因为每个处理器我们都有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。
你最初不是模拟人脑或猴脑，而是模拟一个非常具体的东西——两周龄大鼠的新皮质柱。为什么选择这组特定的神经元？
蓝色大脑是一个生物驱动项目，这意味着我们致力于将生物元素、过程和原理转化为数学模型，然后运行模拟以观察它们如何模拟生物学。我们正在努力在软件中尽可能准确地重现生物学。我不准备牺牲大量猫或灵长类动物——这项研究需要解剖大脑并将模拟与真实事物进行比较——所以我们必须选择小鼠或大鼠。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，但它具有更多的秩序和组织，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。它们有各种各样的形状。两周大的动物实际上是理想的，因为在这个阶段，大脑切片可以很好地保存24到48小时。这个年龄的回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，然后我们就可以建模发育。我们现在可以建模更年轻的柱，也可以建模更老的柱。当我们发现物种之间的关键差异时，我们也将能够开始模拟和建模进化。
到目前为止，你对大脑中的神经过程有什么了解？
出现了一个非常有趣的特性，那就是一种称为伽马振荡的电活动节律。我们在一周内添加了生物模拟步骤后，它就出现了。我们没有特意构建它——它就是出现了。根据一个著名的理论，伽马振荡是意识的基础。该理论认为，当大脑进入高频（40至80赫兹，即每秒循环次数）振荡时，这些振荡会进行知觉绑定，这是意识的基础。不过，我认为蓝色大脑目前还没有意识。
重要的是，我们没有特意尝试在大脑中模拟这种现象。我们所要做的就是注意我们正在正确构建它，然后这些现象就会出现。整个电路进入这种共振状态，这是一种惊人的状态。现在我们可以解剖电路，找出哪些神经元是至关重要的，哪些通路，哪些受体等等。
随着我们更接近生物学，电路开始展现出越来越多我们在实验中发现的实际生物现象，而且越来越精确、准确和优雅。这非常令人鼓舞，因为模型可能朝任何方向发展。它可能根本不起作用。随着你加入越来越多微调的参数，它可能会开始做各种你不想或不期望它做的事情。
当我们构建这些新皮层柱的第一个模型时，我们发现了控制神经元如何连接（所谓的连接组）的规则，以及大脑为何如此健壮，以至于我们可以在没有人注意到任何异常之前失去一半的大脑。我们发现，同一物种的不同动物可能具有相同的连接模式，这可能确保了我们都能相互交流，以及许多关于大脑设计秘密的其他见解，你很快就能在我们的出版物中找到。这些见解用传统方法根本不可能获得。
你还能利用“蓝色大脑”来帮助解决医疗问题——研究神经疾病的性质吗？
事实上，这是研究它们的唯一方法。当你打开这个大脑皮层并运行它时，你会想，天哪，今天没有任何一种神经系统疾病，有人知道这个回路中哪里出了问题——哪个通路、哪个突触、哪个神经元、哪个受体。医生甚至对任何一种药物都不知道这些——我是说，这是一个数十亿美元的产业！——他们用于帕金森病、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。当他们给药时，他们根本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知觉、注意力和记忆的基本处理器。这令人震惊。我是说，我们生活在如此原始的医学时代，你无法想象。
你的工作如何弥补缺失的理解？
当生物学规则被违反时，疾病就会发生。当你根据这些规则忠实地构建一个模型时，你就可以探索它们在哪里被打破。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哪里出了问题。如果电路的某个部分发生故障，它就会表现出某些症状。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发生了故障，那么我们就可以查看它对电路意味着什么，它无法处理什么样的信息。这可以通过模拟药物对电路的影响来指导药物发现。你将确切地找出它如何运作，它改变了什么。药物发现非常昂贵，只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脑部疾病的新药？
我们已经处于原型阶段。我们已经可以小范围地开始了。几年后，当模型变得更加真实时，我们将真正开始寻找疾病的根本原因。随着模型的强大，它的影响力将扩展到越来越多的神经病学和精神病学领域。
你的人类大脑项目正在角逐欧盟未来新兴技术项目每年1亿欧元（1.4亿美元）的资助。你将如何使用如此巨额的资金？
我总是说，我们或许能够在十年内综合所有必要知识来构建人脑，但时钟只有在我们获得适当资金时才能真正开始计时。为了构建这个——超级计算机、软件、研究——我们需要大约10亿美元。考虑到全球脑部疾病的负担很快将超过世界GDP的20%，这并不昂贵。
我们提交了我们的人类大脑项目提案，由13位科学家组成团队，并得到欧洲乃至世界各地100多位其他科学家的支持。这是入围最终竞赛的六个旗舰项目之一。我们将在明年夏天知道谁获胜。如果选中我们，我们将能够在大约2023年建造这个仪器，用于重建人脑并在超级计算机上模拟它。如果我们获胜，我们将在我们的网站上设置一个倒计时时钟。
蓝色大脑项目接下来的重要里程碑是什么？
这是一个规模化的问题，也是一个分辨率的问题。下一阶段将是向全脑模型和非常详细的分子水平模型的巨大扩展。实际上，唯一的限制是资金。但我们正在循序渐进。下一步应该在三年内完成啮齿动物（小鼠和大鼠）的全脑模型，拥有1亿到2亿个神经元。我们将能够以分子水平的分辨率放大模型的各个部分。吸收如此大量的数据是一个重大的技术挑战。一旦我们建立了这个，就可以开始构建猫、猴子和人类大脑模型，这将在很大程度上并行进行。
我们在这个项目中意识到最重要的一点是，你不需要知道生物学是如何运作的100%。因为当你输入了百分之几的数据之后，它就会开始揭示其余的部分。在生物学中，一切都以某种方式相互关联。当你发现一种关系时，找到另一种关系就更容易了。最终一切都必须契合，就像拼图一样。当你加入更多的限制时，它就会加速。我的预测是，在我们甚至完成构建和模拟大脑之前，我们就将理解大脑大部分的运作方式。
那接下来呢？一旦我们模拟了人脑，我们能否体验和重现一个人的思想中发生的一切？
这其实并不复杂。为了让我阅读你的思想，我需要能够查看你的模式，并且需要能够将它们转换为读数。我必须能够翻译这种活动。这就是神经编码。我需要理解它并阅读它，解码它。
随着我们越来越擅长解码神经信息，我认为那不会是多大的问题。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了。所有迹象表明，它将在未来几年内大大改进。
届时我们能模拟意识吗？或者更重要的问题——届时模拟会真正拥有意识吗？
很难说意识的产生需要多少细节。我确实相信意识是一种涌现现象。它就像从液体到气体转变。它是一种属性。它是一个新的阶段。它就像一台机器必须跑得足够快，然后突然飞起来。这就是我们在这个项目中或许能发现的——机器真正起飞并变得有意识需要多少细节。
有人说你在扮演上帝。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，我们不应该干涉它，因为它可能蕴藏着灵魂的秘密，这是很自然的。但我坦率地说，如果地球上的人们都了解大脑是如何运作的，我们就能解决各地冲突。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。这些行为从何而来？答案是可理解的、可处理的、可追溯的。我们不应该为某些可能仅仅因为大脑某个部位化学物质释放而发生的事情而牺牲。
我认为理解大脑将是一次巨大的觉醒。这很可能对人类至关重要。我认为我们远未扮演上帝。上帝创造了整个宇宙。我们只是想建造一个小模型。
（凯蒂·帕尔默附加报道）
