类脑研究初创公司上海西井信息科技有限公司通过自主研发取得两项世界级类脑研究重大科研成果——全球首台100亿规模“神经元”人脑模拟器在沪诞生。

据悉，该人脑模拟器被命名为“Westwell Brain”（西井大脑）。该人脑模拟器是目前公开已知的模拟“神经元”数量最多的人脑模拟器，也是目前唯一由硬件设计完成的人脑模拟器。

人类模拟出了“大脑智慧之源”

在国际上，科学家公认“脑计划”的意义可与人类基因组计划相媲美。脑科学被发达国家视为科研领域“皇冠上的明珠”，并得以蓬勃发展，成为近20年来发展最快的学科之一。美国总统奥巴马曾在会见科学家时表示：“作为人类，我们能够确认数光年外的星系，我们能研究比原子还小的粒子，但我们仍无法揭示（大脑这一）两耳间三磅重物质的奥秘。”

要了解上海西井科技如何研制出100亿规模“神经元”人脑模拟器，就必须对神经元有所了解。

我们人类每天的生活，无时无刻不在和身边的一切发生互动，每一个行为都来自于大脑皮层的反应。平均来说，大脑皮层由1000亿左右个神经细胞组成，这些神经细胞被称为“神经元”。

每一个神经元具有树枝般的触突和其他神经元相互连接，相互生长从而组成神经网络。每一处相连而发生电脉冲的地方都是产生人类的思维、感知和逻辑的途径及过程。

神经元在接受到某种信息的“激励”后，它就会产生一个电脉冲，神经元在受到强激励的时候会产生大量的脉冲，以至于不断间隔产生大量脉冲，而当频繁的激励过程会被神经元细胞对信号的刺激适应，那么每次的放电间隔会越来越少，从而慢慢降低自己的功耗，在神经生理学上，神经细胞重复地从事一件事情，同时相互间反射，就会自动建立起一种长期稳定的联系。在人类思维产生，学习新生事物的过程中，大脑皮层中的神经元细胞也正在进行信息的交互，如同电闪雷鸣一样释放着电脉冲，大脑每一块扇形区域的“咆哮”，正对应于身体的不同器官，对于各种图像、听觉、逻辑、语言等做出反应。

此次，上海西井科技正是通过使用电路去直接模拟人类的“神经元”形态，建立起神经网络中“神经元”与“神经元”之间的连接，通过依靠这些“神经元”来处理信息，用脉冲spike来传递信息，创造连接了拥有100亿神经元的神经网格来模拟人类大脑的运行方式。

具体来说，西井科技使用了硬件平台模拟人类“神经元”。该硬件平台内含有80个“神经引擎”（neural engine），每个“神经引擎”含有512K个“神经核”（neural core），每个“神经核”（neural core）含有256个“神经元”。每个“神经引擎”含有128M神经元，每个“神经元”最多可以连接到13.5K个“神经元”。因此，每块FPGA就含有51.2亿个“神经元”，整个模拟器就拥有了超过100亿“神经元”。

“Westwell Brain”与Google“人脑模拟器”的区别

2012年，Google的科学家曾通过将1.6万片电脑处理器（cpu)连接起来，创造了一个拥有 10 亿多条神经元连接的神经网络。

从模拟“神经元”的数量级上看，“Westwell Brain”（西井大脑）模拟的“神经元”数量为Google“人脑模拟器”的10倍，是目前世界上在最小体积单位上实现最多神经元数量的人脑模拟器。

而两者最本质的区别在于，“Westwell Brain”已完全摆脱了冯·诺依曼计算机结构，使用的是电路模拟“神经元”的方法，而Google“人脑模拟器”却仍使用了1.6万片电脑处理器（cpu）连接。

据上海西井科技首席科学家汪润春博士介绍:冯·诺依曼理论主要核心为数字计算机的数制采用二进制,即0和1 ；同时，计算机是按照程序顺序计算，也就是所谓的“串联”。而真正的人脑神经元模式则为“并联”，这就是为什么，人类可以同步将诸如视觉图像信息神经元、逻辑思维判断神经元与人类“自我学习”的能力等自然结合完成相关“任务”，比如：当一个人面前同时出现了一本杂志与一份报纸，普通正常人会在一瞬间立即完成对杂志与报纸的这两者属性的基本判断，这就是由于我们大脑内视觉图像信息神经元、逻辑思维判断神经元与人类“自我学习”的能力一瞬间“并行”作用的结果。而这与冯·诺依曼理论的“串联”有完全的不同。再举个例子：斯坦福计算机视觉实验室的李飞飞教授在2015年的TED演讲中播放了几幅猫的照片，有正常角度拍摄的，也有猫咪躲在沙发后只露出头的照片，李教授表示这些所有猫的照片都能被3岁的孩子辨认出，但计算机技术目前还在努力争取完全“识别”。这也是一个很好诠释“并联”与“串联”、人脑与计算机差异的例子。

那么“Westwell Brain”能模拟出类似人脑的“并联”结构的理论依据是什么？

汪润春博士给出了答案。汪博士说西井科技的理论基础是神经形态工程学（Neural Engineering）。这是一个新兴的交叉学科领域，它将工程技术方法与神经科学研究融合在一起，从分子、细胞、神经网络直至认知和行为学的层面来研究神经系统的构成及其工作机制。该学科的奠基人之一便是在上世纪80年代末提出类脑研究的美国科学家Carver Mead。Carver Mead曾提出：运用包含虚拟电路的超大规模集成电路系统来模仿在人类神经系统中存在的神经生物构造，跳脱出原有的计算机模式，开发出能够利用简单、可靠、快速且低能耗运算设备的随机行为的新技术，破译大脑活动信息，理解人的思维，由此实现全新意义上的人——机交互。

“Westwell Brain”的真正价值

“Westwell Brain”作为全球首台100亿“神经元”人脑模拟器，对未来人类了解脑、保护脑、创造“脑”将具有积极广泛和深远的意义。

上海西井科技CEO谭黎敏告诉记者：“Westwell Brain”支持目前世界神经形态研究领域最常用的软件“PyNN interface”，该软件被神经形态领域科学家普遍使用开展神经形态相关研究。同时，“Westwell Brain”也是目前世界上唯一可以商用化的人脑模拟器。

目前，世界脑科学研究领域的三大方向为：（1）阐明脑功能：也就是研究产生感知、情感和意识的脑区结构和功能（功能定位、认知、运动、情感、学习，思维、直觉、自我意识），研究脑通讯功能（语言信息在脑神经网络中表达的机制，人类获得语言能力的过程、语言、思想和智力之间的关系）；（2）征服脑疾患：研究控制脑发育和衰老过程（识别与发育及脑分化相关的基因家族、发展调节脑发育和分化的技术手段，促进人类大脑健康发育和防止发育异常，控制人脑衰老），研究；（3）开发出类脑芯片和类脑超级计算机：发展脑型器件和结构（具有学习和记忆能力的神经元芯片、智力认知功能，具有智力、情感和意识的脑型计算机），设计和开发脑型信息产生和处理系统（支持人类机能的机器人系统）。

而“Westwell Brain”就像一个工具一样，未来可以支持其他科学家去了解脑、保护脑、创造“脑”。比如:“Westwell Brain”可以通过接受医学上大脑神经元脉冲放电数据，通过直观方式呈现人脑的脉冲形态，以帮助人类更清晰更直观的研究人脑的一些诸如帕金森氏综合症、阿兹海默症等症状，同时采集药理或治疗方案数据，反馈回大脑仿真模拟器，来检验药物及治疗的作用区域及效果。还可以为未来治愈由脑部神经元造成的疾病以及神经性受损创伤后的术后康复等提供新的、更科学的治疗方法。

上周在剑桥举行的EmTech会议上， Editas公司CEO Katrine Bosley表示，该公司计划在2017年开启CRISPR治疗失明的临床试验。如果Editas执行该计划，那么这项研究将是CRISPR编辑人类DNA的首个例子。

CRISPR技术发明至今仅有三年，但精确性和廉价性使其传遍全球生物学实验室。如今科学家们已使用它来编辑猴子等动物，至于用来编辑人类基因，还存在很大的争议。

如同Intellia Therapeutics和CRISPR Therapeutics公司，Editas是基于CRISPR的初创公司，这些公司已开始使用该技术来修正影响儿童及成年人的DNA缺陷。Bosley表示，由于CRISPR可以修正受损基因，有望用其来治疗由基因缺陷造成的几千种遗传疾病，其中大部分疾病目前无法治愈，如亨廷顿氏舞蹈病和囊性纤维化。

以雷伯氏先天性黑内障为目标

此次，Editas将尝试利用CRISPR来治疗一种罕见的眼疾雷伯氏先天性黑内障，这种疾病影响视网膜的感光细胞。雷伯氏先天性黑内障患者天生只能看到大且明亮的物体，这些患者在婴儿时期就被诊断患病，他们的视力低下到与失明无差异。

宾夕法尼亚大学医学院视网膜和眼部疗法主任Jean Bennet说，“此次Editas所选取的目标在美国大约只有600人，他们选择的目标是神奇的，因为这种疾病特征比较容易校正。”

Bosley说，“Editas此次目标选择的部分原因是CRISPR容易解决该疾病的致病缺陷，导致该疾病的确切错误基因是已知的，而且利用基因治疗眼睛也比较方便。但仍存在的疑问是基因编辑如何在视网膜上工作以及DNA的改变是否会产生副作用？”

Editas计划以CRISPR作为此次基因疗法的核心技术。此次治疗将携带CRISPR组件的DNA病毒载体注入视网膜中，同时还包含一个能精准切割基因的蛋白。Bosley表示在进行人类试验之前Editas仍需要在实验动物体内进行大量的测试。

该试验为CRISPR编辑人类基因的首例，但并非基因编辑技术临床研究首例

虽然Editas的研究可能是CRISPR编辑人类基因的首例，但这不是首个利用基因编辑技术的临床研究，目前一种旧的基因编辑方法zinc fingers已用于艾滋病的治疗，但CRISPR的通用性和易用性使之有望超越之前的基因编辑技术。

理论上基因编辑可以用来修复身体中任何有缺陷的基因，但在实践中很难在大多数细胞中进行DNA修复，例如大脑细胞。眼睛是个例外，因为医生可以直接在视网膜下进行治疗。

Bennett说，目前，费城生物公司Spark Therapeutics已利用基因疗法来治疗雷伯氏先天性黑内障，他们将一个完整、健康的基因添加到眼细胞中，通常情况下，基因疗法只能添加基因，而不是编辑。

雷伯氏先天性黑内障有几种不同的基因导致，因而基因治疗的标准会不一致。因为所需要的CEP290基因太大以至没有合适的病毒载体。由于靶向异常罕见的疾病，Editas的测试可能更容易获得批准，然而这种治疗的最终成本也非常高。