理研BSIニュース No.40(2008年7月号)

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Brain Network

平瀬 肇

神経科学と計算機科学の融合

神経回路メカニズム研究グループ
平瀬研究ユニット
ユニットリーダー
平瀬 肇(ひらせ はじめ)


スーパーコンピュータ(スパコン)の演算能力は4年毎に10倍といった驚異的なペースで向上している1。2007年11月現在、世界最速のスパコンの演算能力が約0.5PFLOPS2であるので、10PFLOPSの演算能力をもつスパコンが開発されるのは、時間の問題であろう。この原稿を打っている私のデスクトップコンピュータが2~3GFFLOPS程度であるので、次世代スパコンは、実に100万倍以上の演算能力である。


一方、ヒトの脳はどうであろうか?発明家であり未来学者でもあるKurzweilは、脳の演算能力を10PFLOPS程度と推定している3。この数字は、神経細胞を200Hzの帯域を有し、1000の有効なシナプス入力を受ける計算素子とし、細胞数を1000億とした推定値である。もしこの推定値が正しければ、スパコンの演算能力は近い将来、脳の演算能力を抜くということになる。しかし、実際にスパコンが我々の脳と同等の処理が出来るようになるかと問うと、答えは恐らく否であろう。脳機能を計算機上で完全に実現させるとは、脳のエミュレータ4を作成することである。はたして私達は、近未来に脳のエミュレータを作成できるのであろうか?


数々の名作ゲームを生んだ任天堂のファミリーコンピュータ(ファミコン)は、クロック周波数2MHz以下の8bitマイクロプロセッサであるが、数年前に生産中止となった。しかし、家庭用コンピューター(PC)でほぼ完全にエミュレートでき、PC上で「高橋名人の冒険島5」や「ゼビウス6」等のゲームを楽しむことができる7。このようにマイクロプロセッサのエミュレーションが可能なのは、我々がマイクロプロセッサの機能表現を正確に理解しているからである。すなわち、マイクロプロセッサの機能を再現するには、レジスタやメモリ等に格納されている整数を再現すればよいのであって、各半導体素子内の電子の挙動を一つ一つ計算する必要はないのである。


ここに現代の神経科学の大きなジレンマがあると思う。我々は脳機能を再現するのに、どの程度の精細なシミュレーションが必要であるのかを知らない。シナプス領域にある受容体のみが重要であるのか、シナプス外にある受容体も考慮しなければならないのか?非発火性のグリア細胞の機能まで情報表現に必要であるのか?活動電位の精度は、脳のどの部位で、どの程度必要なのか?微細構造のイオン・蛋白質の動態を含めた神経モデルでヒト脳の規模でエミュレートするには、天文学的な演算能力をもつスパコンの登場を待つしかないだろう。来たるべく汎用京速計算機の時代に備えて脳回路の機能表現の必要十分条件を考察していくのが将来の方向ではなかろうか。しかしながら近年のスパコンの演算速度の進展を考慮すると、問題設定の曖昧さを憂慮しつつも神経科学と計算機科学の融合にワクワクしてしまうのである。


  1. TOP500リスト(http://www.top500.org)による。
  2. FLOPS: Floating point number Operations per Second。コンピューターの演算性能指標。1秒間に浮動少数点演算が何回できるかを表す。1P(ペタ)FLOPSは一秒間に1015回の浮動少数点演算をする処理能力である。
  3. Kurzweil, R. (2001)“The Law of Accelerating Returns”
    http://www.kurzweilai.net/meme/frame.html?main=/articles/art0134.html
  4. 計算機システム上で、他のOSやCPUの機能を再現するソフトウェア。
  5. ハドソン社が1986年に発売した横スクロール型のアクションゲーム。難易度が高いことで知られる。
  6. 縦スクロール型のシューティングゲーム。1983年にナムコ社がアーケードゲームとして発表。ファミコンには1984年に移植された。
  7. 合法的にゲームソフトを駆動するには、自分が所有しているROMから吸出しツール等を使用し、バイナリイメージを作成する必要がある。



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