03.06.2021 05:57
Nikitius_Ivanov 36 14100 Источник

Мозг человека часто называют самой сложной структурой из известных и теперь, с появлением новой самой подробной трехмерной модели фрагмента коры головного мозга человека, опубликованной командой Google AI, у нас появилась еще одна возможность чуть глубже проникнуть в устройство этого невероятного шедевра биологической эволюции и заодно немного поспекулировать на тему вопроса из заголовка.

Первого июня подразделение поисковика, занимающееся разработками в области искусственного интеллекта, опубликовало в своем блоге релиз самой подробной на данный момент трехмерной структуры одного кубического миллиметра коры головного мозга человека, содержащего около 50 000 нейронов и 130 миллионов нервных соединений — синапсов.

Показаны различные клеточные структуры выделенные в результате обработки микрофотографий. Источник: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v1.full
Показаны различные клеточные структуры выделенные в результате обработки микрофотографий. Источник: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v1.full

Сначала исследователи из Гарварда нарезали один кубический миллиметр ткани мозга на 5300 слоев толщиной всего 30 нанометров и получили изображение каждого слоя с помощью супер-скоростного сканирующего электронного микроскопа MultiSEM 505/506 с разрешением в 4 нанометра или одной 250-тысячной доли миллиметра, всего получилось 255 миллионов изображений или примерно по 48 тысяч на один слой. Ниже показана сшивка изображения одного слоя, объем данных которого около 300 гигабайт.

Источник: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v1.full
Источник: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v1.full

На видео ниже склейка и сегментация получившихся изображений.

Затем команда Google AI создала из всего этого добра огромную трехмерную модель, объемом 1400 терабайта (1,4 петабайта), для чего потребовалась работа уже искусственных нейросетей, использующих для вычислений тысячи тензорных процессоров Cloud TPU.

Ферма тензорных процессоров Cloud TPU Pod, развивающая вычислительную мощность около 10^17 операций в секунду(1000 петафлопс). Источник: https://cloud.google.com/blog/products/ai-machine-learning/google-breaks-ai-performance-records-in-mlperf-with-worlds-fastest-training-supercomputer
Ферма тензорных процессоров Cloud TPU Pod, развивающая вычислительную мощность около 10^17 операций в секунду(1000 петафлопс). Источник: https://cloud.google.com/blog/products/ai-machine-learning/google-breaks-ai-performance-records-in-mlperf-with-worlds-fastest-training-supercomputer

Полученная модель содержит разметку не только разных типов нейронов и вспомогательных структур таких, как микроглия и кровеносные сосуды, но также 130 миллионов аксонов и дендритов каждого нейрона и ко всему прочему находится в открытом доступе (https://h01-dot-neuroglancer-demo.appspot.com/#!gs://h01-release/assets/library_state.json) так, что теперь любой желающий может насладиться путешествием в один кубический миллиметр этого завораживающего микрокосма. Хотя слово космос, на мой взгляд, тут не очень подходит, ведь по сравнению с многообразием и сложностью структур коры головного мозга, космос — это как пустыня по сравнению с джунглями.

Скриншот из онлайн браузера, предоставляющего доступ к модели (https://h01-dot-neuroglancer-demo.appspot.com/#!gs://h01-release/assets/library_state.json)
Скриншот из онлайн браузера, предоставляющего доступ к модели (https://h01-dot-neuroglancer-demo.appspot.com/#!gs://h01-release/assets/library_state.json)

И в завершение небольшая арифметическая спекуляция на тему оцифровки сознания. Допустим, что для оцифровки сознания будет требоваться создание подобной 3д карты всех клеток мозга человека и связей между ними.

Посчитаем, очень грубо, необходимый объем памяти для его оцифровки. Дано: модель одного кубического миллиметра занимает 1,4 петабайта, средний объем головного мозга человека около 1260 кубических сантиметров, округлим в меньшую сторону до 1000, что равно миллиону кубических миллиметров. Тогда полная модель мозга будет занимать 1 400 000 = 1,4*10^6 петабайт.

Для хранения этой информации потребуется 1,4*10^6*500 = 750 миллионов жёстких дисков объемом 2 терабайта. Один такой жёсткий диск в форм-факторе 3,5 дюйма по физическому объему занимает примерно 380 кубических сантиметров. Получим, что объем массива жёстких дисков, требующийся для записи модели всего мозга будет занимать примерно равен 1,4*500*380 = 266 000 кубических метров пространства.

Для представления сколько это места, вспомните Ever Given — то огромное судно, заблокировавшее Суэцкий канал, оно вмещает около 20 тысяч контейнеров, каждый объемом около 70 кубометров что составляет 1 400 000 кубических метров. И если забить этот контейнеровоз жесткими дисками, без учета упаковок, то этого количества хватило бы на 5 таких наборов данных.