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浪潮存儲服務清華大學,推動中國腦科學研究

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日常行為的?八百億神經元是如何協同傳遞信息的?經過數年的攻關,清華大學推出了綜合指標國際領先的多維多尺度高分辨光學顯微成像系統(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元的實時成像研究。
發布時間:2019-12-11 11:11        來源:賽迪網        作者:

近期,清華大學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、數據通量等綜合技術指標國際領先,可實現對小鼠全腦皮層神經元的分布、動態功能信號傳遞過程的精準呈現,對推動中國生命和醫學科學發展,提升腦科學研究和應用水平具有重大戰略意義。

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。

但是,這項工作的復雜性極高,要知道,小鼠大腦的神經元胞體直徑大概只有10微米,神經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元,神經元之間有千余個數據連接,即使是最簡單的神經連接也可能跨越大腦的兩個半球,其神經網絡的復雜程度遠遠超越當今的互聯網。而考慮到人類大腦規模是小鼠的大腦的800倍(神經元數量),復雜度不可同日而語。

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,還需要極高的呈現速度來觀測動態信號傳遞過程。

清華大學范靜濤老師表示,“在RUSH研究之前,現有的顯微觀測設備,要么可以實現足夠高的分辨率,但難以觀測到全腦;要么可以觀測到全腦神經活動,但無法觀測到足夠的神經元細節。主要原因是同時受制于光學成像能力和數據采集-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。

如果說大視場、高分辨率考驗著RUSH腦成像項目的光學特性,那么要滿足“極高的呈現速度”這個需求,就需要數字化能力的支撐。RUSH腦成像項目有著28臺相機,每臺相機1200萬像素,在連續拍攝過程中會產生100.8億像素/秒的數據通量,這就意味著當其連續拍攝任務中,每天將產生2.7PB左右的數據,存儲系統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,更大的挑戰是存儲要實時在線,不能丟幀”,清華大學范靜濤表示。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所帶來的挑戰還有很多。比如,RUSH腦成像系統的攝像儀器每秒鐘會產生840個文件、每個文件24MB,這些海量的小文件非??简灤鎯ο到y的處理能力;又如,在某些生命科學成像觀測中,長達72小時的觀測會產生海量的文件,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定寫入;再如,RUSH-II無法采用冷數據備份,所以需要采用創新數據冗余機制,確保數據不丟失。

分布式存儲以智能運維,滿足PB級數據不丟幀

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、高穩定性存儲解決方案,提供40個節點的存儲服務,存儲空間約為5PB,滿足20.16GB/s數據通量、最長拍攝時間72小時、拍攝過程中不丟幀等嚴格要求。

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分布式存儲成為新趨勢

浪潮工程師表示:“根據RUSH腦科研的應用特征,以及對存儲系統性能、帶寬、擴展性、接口等需求指標,我們進行了業務模擬測試,對承載的數據量和運行時間進行實際測算,并根據用戶未來業務擴展的需求加大數據量以驗證系統和平臺的承載能力和性能變化,并多次對用戶設備進行匹配,對接口、外圍設備匹配、文件刪除性能等進行深度優化。”

此外,RUSH腦成像系統還部署浪潮智能統一存儲管理平臺InView,在數百萬個文件的環境下,通過人工智能技術實現存儲部署、運維、管理、調優的自動化,實現了對于故障盤90%以上的預測準確率。

正如IDC與浪潮在《2019數據及存儲發展報告》提到,數據存儲已經成為承載產業轉型的基礎平臺,高效、易于擴展的分布式存儲成為趨勢,人工智能技術也將快速融入存儲系統的發展。而清華大學RUSH腦成像項目在數字化、智能化方面成功應用實踐,展現了數據平臺在推動科研行業轉型升級方面的巨大能量。

探索生命科學的“終極疆域”

探索腦科學,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防至關重要。雖然現代醫學已經有了極大的發展,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以億計的人忍受病痛的折磨。

科學家們正在向腦科學這個生命科學的“終極疆域”發起沖擊,而腦成像的研究與創新,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,但是發展速度非???,《“十三五”國家科技創新規劃》就將“腦科學與類腦研究”列為“科技創新2030-重大項目”,提出搶占腦科學前沿研究制高點。2016年,中國發布了“腦科學與類腦研究”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,在小視場/低分辨率、大視場/低分辨率,小視場/高分辨率這三大領域,先后出現了二十余項諾貝爾獎,但唯獨大視場/高分辨率還未出現突破。”這個機會,有沒有可能來自中國,又會不會是現在做的方向呢?未來會給出答案。

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