背景：人類始終對“大腦”這個重要器官懷著濃濃的好奇：大腦是怎么指揮我們?nèi)粘Ｐ袨榈?八百億神經(jīng)元是如何協(xié)同傳遞信息的?經(jīng)過數(shù)年的攻關(guān)，清華大學(xué)推出了綜合指標國際領(lǐng)先的多維多尺度高分辨光學(xué)顯微成像系統(tǒng)(簡稱RUSH腦成像)，采用浪潮分布式存儲提供PB級容量和20.16GB/s的帶寬，承載了小鼠全腦皮層神經(jīng)元的實時成像研究。

浪潮存儲服務(wù)清華大學(xué)，推進腦科學(xué)研究

正文：

近期，清華大學(xué)多維多尺度高分辨率顯微成像(簡稱RUSH腦成像)項目取得重大進展，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，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(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 難在哪？

開展大腦研究，需要在活體動物的全腦上進行觀測和研究。因此清華大學(xué)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。

RUSH腦成像項目對擁有1億神經(jīng)元的小鼠大腦進行了研究

但是，這項工作的復(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(luò)的復(fù)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)，復(fù)雜度不可同日而語。

從腦成像角度來看，要對大腦進行觀測，不僅需要寬闊的視野和極高的分辨率，還需要極高的呈現(xiàn)速度來觀測動態(tài)信號傳遞過程。

清華大學(xué)范靜濤老師表示，“在RUSH研究之前，現(xiàn)有的顯微觀測設(shè)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(xué)成像能力和數(shù)據(jù)采集-傳輸通量瓶頸。”如今，在清華RUSH項目組的努力下，這一情況已經(jīng)被改寫。

腦成像：每秒100億像素、每天2.7PB，還不能丟幀

RUSH-II實現(xiàn)了視場大小 1平方厘米、分辨率0.4微米、幀率30幀/秒的指標，意味其能夠更好地滿足對于大腦的觀測需求。

RUSH腦成像項目在拍攝過程中每秒100億像素數(shù)據(jù)通量，每天產(chǎn)生1.5PB數(shù)據(jù)

如果說大視場、高分辨率考驗著RUSH腦成像項目的光學(xué)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(wù)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(xué)范靜濤表示。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。由于小鼠是活體的，其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(dǎo)致耗時、耗資巨大的拍攝項目功虧一簣。

除此之外，RUSH腦成像項目對于存儲系統(tǒng)所帶來的挑戰(zhàn)還有很多。比如，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?？简灤鎯ο到y(tǒng)的處理能力;又如，在某些生命科學(xué)成像觀測中，長達72小時的觀測會產(chǎn)生海量的文件，而且從第一個文件到寫滿，不能丟幀，這就需要確保長時間的穩(wěn)定寫入;再如，RUSH-II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。

分布式存儲：以智能運維，滿足PB級數(shù)據(jù)不丟幀

針對該項目的需求，浪潮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(wù)，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。

分布式存儲成為新趨勢

浪潮工程師表示：“根據(jù)RUSH腦科研的應(yīng)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，我們進行了業(yè)務(wù)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(wù)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(shè)備進行匹配，對接口、外圍設(shè)備匹配、文件刪除性能等進行深度優(yōu)化。”

此外，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(yù)測準確率。

正如IDC與浪潮在《2019數(shù)據(jù)及存儲發(fā)展報告》提到，數(shù)據(jù)存儲已經(jīng)成為承載產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)平臺，高效、易于擴展的分布式存儲成為趨勢，人工智能技術(shù)也將快速融入存儲系統(tǒng)的發(fā)展。而清華大學(xué)RUSH腦成像項目在數(shù)字化、智能化方面成功應(yīng)用實踐，展現(xiàn)了數(shù)據(jù)平臺在推動科研行業(yè)轉(zhuǎn)型升級方面的巨大能量。

探索生命科學(xué)的“終極疆域”

探索腦科學(xué)，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(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，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(xué)家們正在向腦科學(xué)這個生命科學(xué)的“終極疆域”發(fā)起沖擊，而腦成像的研究與創(chuàng)新，則為揭開大腦的秘密帶來了新的機會。

中國腦計劃雖然起步較晚，但是發(fā)展速度非?？?，《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》就將“腦科學(xué)與類腦研究”列為“科技創(chuàng)新2030-重大項目”，提出搶占腦科學(xué)前沿研究制高點。2016年，中國發(fā)布了“腦科學(xué)與類腦研究”國家重大科技專項，在這個未知的前沿疆域留下了更多科研工作者的身影。

范靜濤表示，他最近在思考一件事，“縱觀世界上的顯微系統(tǒng)，在小視場/低分辨率、大視場/低分辨率，小視場/高分辨率這三大領(lǐng)域，先后出現(xiàn)了二十余項諾貝爾獎，但唯獨大視場/高分辨率還未出現(xiàn)突破。”這個機會，有沒有可能來自中國，又會不會是現(xiàn)在做的方向呢?未來會給出答案。

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