云计算扩展了脑科学
人们经常根据当下正在发生的事情来思考人类的行为——阅读报纸、驾驶汽车或接住足球。但其他方面的行为可以延续数周、数月甚至数年。
例子包括孩子学习如何阅读;恢复期:从脑震荡中恢复的运动员;或者一个50岁的人在想时间都去哪儿了。这些变化不是人们每天都能感知到的。他们只是突然意识到自己变老了，痊愈了，或者有了新的发展技能。
神经科学领域关注的是大脑德克萨斯大学奥斯汀分校(UT Austin)的神经科学家Franco Pestilli说。“例如，我们对神经元如何计算并让我们快速反应感兴趣——这是一种需要视觉注意力和运动控制的快速反应。了解大脑的需求大数据捕捉人类行为的所有维度。”
作为一名专家视觉科学、神经信息学、脑成像、计算神经科学在过去的15年里，瘟疫利的研究促进了对人类认知和大脑网络的理解。
瘟疫利喜欢把大脑比作互联网，一组强大的计算机通过电缆连接，同时保持许多窗口打开和程序运行。如果计算机正常，而电缆却不正常，大脑不同部位的计算机之间的远程通信就会开始中断。这反过来又给我们的长期行为带来了问题。
Pestilli和他的团队还对生物计算如何在更长的时间内发生变化感兴趣——比如当我们失去视力时，我们的大脑是如何变化的?
“我们已经证明，如果你改变输入到眼睛的信息，它可以改变大脑的白质，白质相当于大脑的电缆系统，就像计算机通过电缆连接一样，我们的大脑有数百万根电缆连接着数百万个被称为神经元的微型计算机。”
这项研究发表在《自然》杂志上科学报告2021年3月。
Brainlife。io -平台科学家需要做他们想做的科学
新的云技术对于帮助研究人员以前所未有的规模协作、处理、可视化和管理大量数据变得越来越必要。
Pestilli工作的一个关键方面始于2017年，当时他通过国家科学基金会(NSF)获得了BRAIN Initiative的资助，以启动Brainlife.io。当时，他是印第安纳大学心理与脑科学的副教授。
Brainlife。IO计算平台提供了一整套web服务，以支持在云上进行可复制的研究。迄今为止，来自世界各地的1600多名科学家已经访问了该平台。BrainLife。IO允许他们上传、管理、跟踪、分析、共享和可视化他们的数据结果。
目前，该平台为心理学、医学、神经科学等不同领域的科学家提供服务，包括600多个数据处理工具。Brainlife。IO集成了不同的专业知识和开发机制，用于制作代码并将其发布到云端，同时跟踪发生在数据上的每个细节。
“到目前为止，我们已经处理了超过30万组数据集，随着大流行期间访问我们平台的科学家数量激增，我们正在为许多新用户提供服务，”Pestilli说。“很多新人加入了Brainlife。因为他们无法使用他们的物理设施。”
该平台依靠超级计算基础设施在高性能计算(HPC)硬件上运行模拟。“像Jetstream(印第安纳大学/TACC)、Stampede2 (TACC)和Bridges-2(匹兹堡超级计算中心)这样的国家系统是我们所做工作的基础。我们已经得到了NSF资助的极端科学与工程发现环境(XSEDE)的大量支持。”
BrainLife。io也由美国国立卫生研究院(NIH)和国防部的合作奖资助。
Aina Puce是印第安纳大学心理学和脑科学教授。她自称是《大脑生活》的新手。然而，她是神经成像方面的世界级专家，也是NIH资助的主要研究员，该资助支持该平台上神经生理学数据管理和分析的发展。
Puce说:“我跳入了最深处，帮助Franco和他的团队将平台的功能扩展到神经生理学数据。”
“Brainlife。io允许我们开始进行尖端分析，整合神经生理学数据和基于核磁共振的数据。研究包括明确地将大脑结构与大脑功能联系起来的研究，例如信息如何从一个区域传输到另一个区域，以及在执行特定任务时血流量和脑电活动如何变化。”
很快，一套新的工具将会出现在Brainlife上。她说:“这是独一无二的，将对科学和社会都有极大的帮助。”
Puce和他的团队目前正在通过记录来自头皮的非侵入性和来自头部内部的侵入性电输出来探索大脑活动。它们还能探测一个人在休息和执行任务(如阅读他人的社交信息)时产生的磁场。
“这就是我们为‘大脑生活’带来的东西。这是第一次。”Puce说。
数据驱动器发现
神经科学领域正从小数据集转向大数据集。更大的数据集意味着科学家可以从他们收集的信息中提取更强大的统计见解。
从1000个研究对象到10000个研究对象再到500000个研究对象——数据集一直在增长。
例如，青少年大脑认知发展研究是美国最大的、关于大脑发育和儿童健康的长期研究之一。这项研究正在收集超过1万名青少年大脑的数据，以了解从青春期到青年期的生物学和行为发展。在世界的另一个地方，英国生物银行包含了来自50多万参与者的深入健康信息，这些参与者为科学事业捐赠了他们的遗传和临床数据;其中10万名参与者捐献了脑部扫描图。
“随着每个新项目规模的扩大，”Pestilli说，“数据集的规模也会扩大，因此，对存储和计算的需求也会发生变化。我们正在构建的数据集的规模和影响力只有超级计算机才能有效应对。随着最近机器学习和人工智能方法的出现，以及它们帮助人类理解大脑的潜力，我们需要改变数据管理、分析和存储的范式。”
Pestilli说，神经科学研究无法继续下去，除非建立一个有凝聚力的生态系统，将科学家的需求与硬件和软件需求结合起来，因为有大量的数据和有待探索的下一代问题。
他说，到目前为止开发的许多工具还不容易集成到典型的工作流程中，也不适合使用。
“为了在神经科学领域产生影响，并将这门学科与机器学习和人工智能等最前沿的技术联系起来，科学界需要为云计算和人工智能建立一个有凝聚力的基础设施数据科学让所有这些巨大的工具、图书馆、数据档案和标准更接近为社会造福的研究人员，”他说。
幸运的是，Pestilli找到了一个志同道合的合作者Dan Stanzione，他是德克萨斯高级计算中心(TACC)的执行董事，也是全国公认的高性能计算领导者。
他们计划一起创建一个全国性的基础设施，为永久数据和分析记录提供登记处。研究人员将能够找到数据，并更透明地看到分析是如何进行的。基础设施将促进国家科学基金会(NSF)在数据提案中所要求的，以及研究人员想要的，即科学影响和可重复性。
此外，这意味着对数据、分析方法和计算资源的访问将朝着更公平的模式发展，为更多的学生、教育工作者和研究人员提供比以往任何时候都多的机会。
“这种前景让我对加入德克萨斯大学奥斯汀分校感到非常兴奋，”瘟疫利说。他于2020年8月搬迁到奥斯汀，当时正值COVID-19大流行。在德克萨斯大学奥斯汀分校意味着与tacc合作——这是他接受心理学系教授职位的关键原因。
“我有信心，我们可以完成它——这一愿景是我在这里努力的关键部分。”
