腦科學(xué)新領(lǐng)域：神經(jīng)科學(xué)+大數(shù)據(jù)

神經(jīng)科學(xué)研究，俗稱“腦研究”，在“大數(shù)據(jù)”概念出來的多年前就已經(jīng)用上了一些大數(shù)據(jù)研究的方法了，所以，作為神經(jīng)科學(xué)家，我們對“大數(shù)據(jù)”早就非常熟悉了。這里談一下我個(gè)人對于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域大數(shù)據(jù)的一些想法。

大家要問，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域都有哪些大數(shù)據(jù)呢？這里，最明顯不過的如“成像”數(shù)據(jù)，像功能性核磁共振（fMRI）、彌散張量成像（DTI）、電壓敏感染料成像（VSDI）等實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)；還有使用多通道技術(shù)獲得的的長時(shí)間的電生理數(shù)據(jù)，如多道EEG、胞外多通微電極記錄、微電極陣列（MEA）記錄等實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)的特點(diǎn)一是數(shù)據(jù)文件體積龐大，在2003年的時(shí)候就可以輕易超過1G（腦電生理數(shù)據(jù)），或者是在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候會(huì)超過4G，以至于必需使用64位操作系統(tǒng)。第二個(gè)特點(diǎn)是使用單個(gè)CPU計(jì)算時(shí)需要很長時(shí)間，像2003年即使200M大小的腦電生理數(shù)據(jù)，使用當(dāng)時(shí)的單核計(jì)算機(jī)做時(shí)頻譜分析，一個(gè)數(shù)據(jù)文件的計(jì)算時(shí)間通常都要超過2個(gè)小時(shí)。

在目前多核計(jì)算機(jī)平臺下進(jìn)行計(jì)算，對于需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算的數(shù)據(jù)，大多數(shù)專用的神經(jīng)科學(xué)分析軟件暫時(shí)還不支持并行計(jì)算，有些通用的軟件如Matlab已經(jīng)可以支持OpenMP和CUDA兩種模式的并行計(jì)算，但前提要求是使用者必須懂得計(jì)算機(jī)編程，尤其像CUDA模式更是如此。

目前國內(nèi)的神經(jīng)科學(xué)計(jì)算還很少有人用到超級計(jì)算機(jī)（以下簡稱“超算”），使用超算多少有些麻煩，主要原因是還沒有比較成熟的軟件（無論商業(yè)還是開源軟件）可以讓一般的神經(jīng)科學(xué)家像使用Excel一樣方便地使用那樣的并行軟件。即使在桌面領(lǐng)域，支持OpenMP和CUDA的神經(jīng)科學(xué)專用計(jì)算軟件也很稀少。但是這樣的局面不會(huì)保持太久，估計(jì)在2020年之前這樣的軟件就會(huì)比較普及。

并行計(jì)算軟件的普及對于研究者來說是很重要的，因?yàn)闆]有金剛鉆就攬不了瓷器活。但除了軟件之外，更重要的怕是對于神經(jīng)科學(xué)數(shù)據(jù)的理解、分析能力了。這一點(diǎn)可不是一個(gè)人或是某個(gè)領(lǐng)域的人就可以干得下來的活，要完成這種研究，必須有數(shù)學(xué)、信息學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的專家聯(lián)合起來對某個(gè)專門的問題進(jìn)行集中、深入的研究方可。這種多學(xué)科聯(lián)合不是那種“要錢”的松散聯(lián)合，而是為了解決一個(gè)實(shí)際問題必須要進(jìn)行的實(shí)質(zhì)性聯(lián)合，也許現(xiàn)有的國家科研體制暫時(shí)還不支持這種聯(lián)合，但只要不是“為了發(fā)文章而合作”，相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家應(yīng)該還是可以聯(lián)合在一起潛心進(jìn)行研究的，目前自然科學(xué)基金也支持這種研究。

大數(shù)據(jù)的核心問題在于如何挖掘與相關(guān)領(lǐng)域有關(guān)的科學(xué)規(guī)律，所以這種挖掘不能僅靠所謂的“數(shù)據(jù)科學(xué)家”，因?yàn)榇髷?shù)據(jù)通常都是和某個(gè)具體科學(xué)領(lǐng)域有關(guān)，或者和某個(gè)具體的科學(xué)問題有關(guān)，因此，除了數(shù)據(jù)科學(xué)家之外，實(shí)驗(yàn)學(xué)家和理論學(xué)家都需要參與數(shù)據(jù)的挖掘工作，這是一個(gè)綜合性很高的系統(tǒng)工程。

大數(shù)據(jù)概念誕生到現(xiàn)在還不到5年，但是神經(jīng)科學(xué)家為了揭開腦功能的奧秘，和大數(shù)據(jù)打交道已經(jīng)10年以上了，像2005年歐洲發(fā)起的“藍(lán)腦計(jì)劃（Blue Brain Project）”使用顯微鏡和膜片鉗技術(shù)以及超算從一小片腦片研究開始，直到最近幾年IBM用超算和專門芯片來模擬大腦為止，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)τ诖髷?shù)據(jù)的理解和其他領(lǐng)域相比要更加深入。

對于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究人員來說，無論是小到分子水平還是大到行為水平方面的研究，遲早都要和大數(shù)據(jù)打交道，所以，掌握一些必要的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)編程的知識對于今后事業(yè)的發(fā)展是會(huì)有所幫助的。