腦科研

歷來被視作理解自然和人類本身的“終極疆域”，近100年中有120多項獲諾貝爾獎的研究與腦科學相關(guān)。探索腦科學，對于提升人類認知水平、腦疾病診治和人工智能技術(shù)發(fā)展等具有十分重要的意義。腦科學的中心目標是建立大腦神經(jīng)元的動態(tài)連接圖，但是現(xiàn)有顯微技術(shù)受數(shù)據(jù)通量制約，精確刻畫神經(jīng)環(huán)路圖譜成為全球公認的難題。

如今，清華大學成像與智能技術(shù)實驗室戴瓊海院士牽頭的多維多尺度高分辨率顯微成像（簡稱RUSH腦成像）項目成果顯著。其第二代RUSH的視場、分辨率、幀率、數(shù)據(jù)通量等綜合技術(shù)指標國際領(lǐng)先，是全球視場最大、數(shù)據(jù)通量最高的介觀光學顯微鏡，可實現(xiàn)對小鼠全腦皮層神經(jīng)元的分布、動態(tài)功能信號傳遞過程的精準呈現(xiàn)，對推動中國生命和醫(yī)學科學發(fā)展，提升腦科學研究和應用水平具有重大戰(zhàn)略意義。

活體全腦成像既要“看得寬”“分得清”

又要“拍得快”“存得下”

腦科學研究需要在活體動物的全腦上進行觀測和研究，清華大學腦科研項目組選擇了小鼠大腦率先進行全腦實時成像研究。但是，這項工作的復雜性極高，要知道，小鼠大腦的神經(jīng)元胞體直徑大概只有10微米，神經(jīng)元之間連接的突觸才2~4微米，而小鼠大腦有一億個左右的神經(jīng)元，神經(jīng)元之間有千余個數(shù)據(jù)連接，即使是最簡單的神經(jīng)連接也可能跨越大腦的兩個半球，其神經(jīng)網(wǎng)絡的復雜程度遠遠超越當今的互聯(lián)網(wǎng)。而考慮到人類大腦規(guī)模是小鼠的大腦的800倍（神經(jīng)元數(shù)量），其復雜度不可同日而語。

從腦成像角度來看，要對大腦進行觀測，不僅要實現(xiàn)超寬視場和超高分辨率，還需要超快成像速度來實時觀測動態(tài)信號傳遞過程。清華大學范靜濤老師表示，“在RUSH研究之前，現(xiàn)有的顯微觀測設備，要么可以實現(xiàn)足夠高的分辨率，但難以觀測到全腦；要么可以觀測到全腦神經(jīng)活動，但無法觀測到足夠的神經(jīng)元細節(jié)。主要原因是同時受制于光學成像能力和數(shù)據(jù)采集-傳輸通量瓶頸。”清華RUSH項目團隊自行設計了適應像面彎曲的寬視場物鏡系統(tǒng)，通過像感器矩陣實現(xiàn)并行的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲與重建，再融合計算照明，使得視場、分辨率、幀率、數(shù)據(jù)通量綜合指標均處于國際領(lǐng)先水平。

百億像素/秒，72小時連續(xù)寫入不丟幀

PB級數(shù)據(jù)量/天

浪潮分布式存儲平臺助力清華大學RUSH

如果說大視場、高分辨率考驗著RUSH腦成像項目的光學特性，那么要滿足“極高的呈現(xiàn)速度”這個需求，就需要數(shù)字化能力的支撐。RUSH腦成像項目有著28臺相機，每臺相機1200萬像素，在連續(xù)拍攝過程中會產(chǎn)生100.8億像素/秒的數(shù)據(jù)通量，這就意味著當其連續(xù)拍攝任務中，每天將產(chǎn)生2.7PB左右的數(shù)據(jù)，存儲系統(tǒng)顯然要具備極高的容量。

“清華腦科研項目對于存儲的要求不僅在于容量，更大的挑戰(zhàn)是存儲要實時在線，不能丟幀”，清華大學范靜濤老師表示。例如，在研究過程中，研究人員會在小鼠血液中加入熒光劑，然后會使用RUSH中的28臺相機，以每秒30幀、連續(xù)72小時的方式對小鼠進行拍攝，最后將這些圖片拼接成三維圖像序列。由于活體小鼠的血液無時無刻不在流動，相機需要去追蹤每一個細胞的流動曲線，即使出現(xiàn)一幀的丟失，也會讓研究人員無法跟蹤到全過程，3D成像的拼接也無從談起，會導致耗時、耗資巨大的拍攝項目功虧一簣。又如，RUSH腦成像系統(tǒng)的攝像儀器每秒鐘會產(chǎn)生840個文件、每個文件24MB，這些海量的小文件非常考驗存儲系統(tǒng)的處理能力；再如，第二代RUSH無法采用冷數(shù)據(jù)備份，所以需要采用創(chuàng)新數(shù)據(jù)冗余機制，確保數(shù)據(jù)不丟失。

針對該項目的需求，浪潮存儲提供了基于分布式存儲平臺AS13000的高性能、高可用、高穩(wěn)定性存儲解決方案，提供40個節(jié)點的存儲服務，存儲空間約為5PB，滿足20.16GB/s數(shù)據(jù)通量、最長拍攝時間72小時、拍攝過程中不丟幀等嚴格要求。根據(jù)RUSH腦科研的應用特征，以及對存儲系統(tǒng)性能、帶寬、擴展性、接口等需求指標，浪潮存儲進行了業(yè)務模擬測試，對承載的數(shù)據(jù)量和運行時間進行實際測算，并根據(jù)用戶未來業(yè)務擴展的需求加大數(shù)據(jù)量以驗證系統(tǒng)和平臺的承載能力和性能變化，并多次對用戶設備進行匹配，對接口、外圍設備匹配、文件刪除性能等進行深度優(yōu)化。同時，RUSH腦成像系統(tǒng)還部署浪潮智能統(tǒng)一存儲管理平臺InView，在數(shù)百萬個文件的環(huán)境下，通過人工智能技術(shù)實現(xiàn)存儲部署、運維、管理、調(diào)優(yōu)的自動化，實現(xiàn)了對于故障盤90%以上的預測準確率。

探索腦科學

不僅有助于我們增進對于生命的認知，同樣也對腦疾病的治療與預防至關(guān)重要。雖然現(xiàn)代醫(yī)學已經(jīng)有了極大的發(fā)展，但是我們依然沒有找到自閉癥、抑郁癥、精神分裂癥等精神類的疾病的“特效療法”，更不用說，帕金森綜合征、阿爾茲海默癥等腦疾病正在讓數(shù)以億計的人忍受病痛的折磨。

科學家們正在生命科學的“終極疆域”發(fā)起沖擊，而腦成像的研究與創(chuàng)新，將為揭開大腦的秘密帶來新的可能。隨著數(shù)字技術(shù)在科研領(lǐng)域的應用，IT新技術(shù)將在腦科研中發(fā)揮重要的作用。浪潮存儲也將一如既往地秉持創(chuàng)新精神，打造最完善的存儲平臺和最優(yōu)的解決方案，為生命科學研究貢獻自己的力量，充分釋放數(shù)據(jù)價值。

審核編輯 ：李倩