腦科研

歷來(lái)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(xiàng)獲諾貝爾獎(jiǎng)的研究與腦科學(xué)相關(guān)。探索腦科學(xué)，對(duì)于提升人類認(rèn)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(xué)的中心目標(biāo)是建立大腦神經(jīng)元的動(dòng)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(rèn)的難題。

如今，清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室戴瓊海院士牽頭的多維多尺度高分辨率顯微成像（簡(jiǎn)稱RUSH腦成像）項(xiàng)目成果顯著。其第二代RUSH的視場(chǎng)、分辨率、幀率、數(shù)據(jù)通量等綜合技術(shù)指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先，是全球視場(chǎng)最大、數(shù)據(jù)通量最高的介觀光學(xué)顯微鏡，可實(shí)現(xiàn)對(duì)小鼠全腦皮層神經(jīng)元的分布、動(dòng)態(tài)功能信號(hào)傳遞過(guò)程的精準(zhǔn)呈現(xiàn)，對(duì)推動(dòng)中國(guó)生命和醫(yī)學(xué)科學(xué)發(fā)展，提升腦科學(xué)研究和應(yīng)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(xué)研究需要在活體動(dòng)物的全腦上進(jìn)行觀測(cè)和研究，清華大學(xué)腦科研項(xiàng)目組選擇了小鼠大腦率先進(jìn)行全腦實(shí)時(shí)成像研究。但是，這項(xiàng)工作的復(fù)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(gè)左右的神經(jīng)元，神經(jīng)元之間有千余個(gè)數(shù)據(jù)連接，即使是最簡(jiǎn)單的神經(jīng)連接也可能跨越大腦的兩個(gè)半球，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越當(dāng)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(fù)雜度不可同日而語(yǔ)。

從腦成像角度來(lái)看，要對(duì)大腦進(jìn)行觀測(cè)，不僅要實(shí)現(xiàn)超寬視場(chǎng)和超高分辨率，還需要超快成像速度來(lái)實(shí)時(shí)觀測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)傳遞過(guò)程。清華大學(xué)范靜濤老師表示，“在RUSH研究之前，現(xiàn)有的顯微觀測(cè)設(shè)備，要么可以實(shí)現(xiàn)足夠高的分辨率，但難以觀測(cè)到全腦；要么可以觀測(cè)到全腦神經(jīng)活動(dòng)，但無(wú)法觀測(cè)到足夠的神經(jīng)元細(xì)節(jié)。主要原因是同時(shí)受制于光學(xué)成像能力和數(shù)據(jù)采集-傳輸通量瓶頸。”清華RUSH項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)了適應(yīng)像面彎曲的寬視場(chǎng)物鏡系統(tǒng)，通過(guò)像感器矩陣實(shí)現(xiàn)并行的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)與重建，再融合計(jì)算照明，使得視場(chǎng)、分辨率、幀率、數(shù)據(jù)通量綜合指標(biāo)均處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

百億像素/秒，72小時(shí)連續(xù)寫入不丟幀

PB級(jí)數(shù)據(jù)量/天

浪潮分布式存儲(chǔ)平臺(tái)助力清華大學(xué)RUSH

如果說(shuō)大視場(chǎng)、高分辨率考驗(yàn)著RUSH腦成像項(xiàng)目的光學(xué)特性，那么要滿足“極高的呈現(xiàn)速度”這個(gè)需求，就需要數(shù)字化能力的支撐。RUSH腦成像項(xiàng)目有著28臺(tái)相機(jī)，每臺(tái)相機(jī)1200萬(wàn)像素，在連續(xù)拍攝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生100.8億像素/秒的數(shù)據(jù)通量，這就意味著當(dāng)其連續(xù)拍攝任務(wù)中，每天將產(chǎn)生2.7PB左右的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)系統(tǒng)顯然要具備極高的容量。

“清華腦科研項(xiàng)目對(duì)于存儲(chǔ)的要求不僅在于容量，更大的挑戰(zhàn)是存儲(chǔ)要實(shí)時(shí)在線，不能丟幀”，清華大學(xué)范靜濤老師表示。例如，在研究過(guò)程中，研究人員會(huì)在小鼠血液中加入熒光劑，然后會(huì)使用RUSH中的28臺(tái)相機(jī)，以每秒30幀、連續(xù)72小時(shí)的方式對(duì)小鼠進(jìn)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(wú)時(shí)無(wú)刻不在流動(dòng)，相機(jī)需要去追蹤每一個(gè)細(xì)胞的流動(dòng)曲線，即使出現(xiàn)一幀的丟失，也會(huì)讓研究人員無(wú)法跟蹤到全過(guò)程，3D成像的拼接也無(wú)從談起，會(huì)導(dǎo)致耗時(shí)、耗資巨大的拍攝項(xiàng)目功虧一簣。又如，RUSH腦成像系統(tǒng)的攝像儀器每秒鐘會(huì)產(chǎn)生840個(gè)文件、每個(gè)文件24MB，這些海量的小文件非常考驗(yàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的處理能力；再如，第二代RUSH無(wú)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(jī)制，確保數(shù)據(jù)不丟失。

針對(duì)該項(xiàng)目的需求，浪潮存儲(chǔ)提供了基于分布式存儲(chǔ)平臺(tái)AS13000的高性能、高可用、高穩(wěn)定性存儲(chǔ)解決方案，提供40個(gè)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)服務(wù)，存儲(chǔ)空間約為5PB，滿足20.16GB/s數(shù)據(jù)通量、最長(zhǎng)拍攝時(shí)間72小時(shí)、拍攝過(guò)程中不丟幀等嚴(yán)格要求。根據(jù)RUSH腦科研的應(yīng)用特征，以及對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)性能、帶寬、擴(kuò)展性、接口等需求指標(biāo)，浪潮存儲(chǔ)進(jìn)行了業(yè)務(wù)模擬測(cè)試，對(duì)承載的數(shù)據(jù)量和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行實(shí)際測(cè)算，并根據(jù)用戶未來(lái)業(yè)務(wù)擴(kuò)展的需求加大數(shù)據(jù)量以驗(yàn)證系統(tǒng)和平臺(tái)的承載能力和性能變化，并多次對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行匹配，對(duì)接口、外圍設(shè)備匹配、文件刪除性能等進(jìn)行深度優(yōu)化。同時(shí)，RUSH腦成像系統(tǒng)還部署浪潮智能統(tǒng)一存儲(chǔ)管理平臺(tái)InView，在數(shù)百萬(wàn)個(gè)文件的環(huán)境下，通過(guò)人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)部署、運(yùn)維、管理、調(diào)優(yōu)的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于故障盤90%以上的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

探索腦科學(xué)

不僅有助于我們?cè)鲞M(jìn)對(duì)于生命的認(rèn)知，同樣也對(duì)腦疾病的治療與預(yù)防至關(guān)重要。雖然現(xiàn)代醫(yī)學(xué)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(shuō)，帕金森綜合征、阿爾茲海默癥等腦疾病正在讓數(shù)以億計(jì)的人忍受病痛的折磨。

科學(xué)家們正在生命科學(xué)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(lái)新的可能。隨著數(shù)字技術(shù)在科研領(lǐng)域的應(yīng)用，IT新技術(shù)將在腦科研中發(fā)揮重要的作用。浪潮存儲(chǔ)也將一如既往地秉持創(chuàng)新精神，打造最完善的存儲(chǔ)平臺(tái)和最優(yōu)的解決方案，為生命科學(xué)研究貢獻(xiàn)自己的力量，充分釋放數(shù)據(jù)價(jià)值。

審核編輯 ：李倩