云计算扩展了脑科学

人们常常在目前读报纸上发生的事情，驾驶汽车或捕捉足球时，人们常常考虑人类行为。但其他行为维度超过数周，几个月和年。

示例包括学习如何阅读的子女;从脑震荡中恢复的运动员;或者一个人转了50岁，想知道所有时间都消失了。这些人不会在日常内察觉的情况下变化。他们只是突然意识到他们年纪大，医治，或有新的发展技能。

”领域的神经科学德克萨斯大学奥斯汀（UT AUSTIN）的神经科学家Franco Pestilli说，佛朗哥·佩斯蒂利说。“例如，我们对神经元的计算和允许我们快速反应的感兴趣 - 这是一种快速响应需要视觉关注和电机控制。了解大脑需要大数据以捕捉人类行为的所有维度。“

作为视觉科学的专家，神经素信息，脑成像，计算神经科学和数据科学，Pestilli的研究在过去15年中提出了对人类认知和脑网络的理解。

鼠疫利喜欢将大脑比作互联网，一套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。如果计算机是健康的，但电缆不是，那么大脑不同部分的计算机之间的远程通信就会开始失败。这反过来又会给我们的长期行为带来问题。

Pstilli和团队也有兴趣生物计算如何在较长的时间内如何变化 - 例如我们的大脑如何变化，因为我们失去了我们的愿景？“我们已经表明，如果将输入改变为眼睛，它可以改变大脑的白金，这相当于大脑的布线系统 - 就像电脑与电缆一样，我们的大脑有数百万电缆连接数百万微小电脑称为神经元。“

科学家需要做他们想做的科学

新的云技术正在成为帮助研究人员协作，处理，可视化和管理在前所未有的尺度上的大量数据。

佩斯蒂利工作的一个关键方面于2017年开始，当他通过国家科学基金会（NSF）获得大脑倡议的批准，以推出Brainlife.io。当时，他是印第安纳大学的心理和大脑科学副教授。

Brainlife。IO计算平台提供了一整套web服务，以支持在云上的可重复研究。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、共享和可视化数据的结果。

目前，该平台服务于心理学、医学、神经科学等不同领域的科学家，包括600多个数据处理工具。Brainlife。IO整合了不同的专业知识和开发机制来制作代码并在云上发布，同时跟踪数据的每一个细节。

“我们已经处理了超过300,000多个数据集 - 我们为许多新用户提供服务，因为访问我们平台的科学家的数量已经在大流行期间爆炸，”Pestilli说。“很多新的人来到Brainlife.io因为他们失去了物理设施。”

该平台依赖于超级计算基础架构来运行高性能计算（HPC）硬件的模拟。“像地图集（印第安纳大学/ TACC），Stampede2（Tacc）等国家系统，以及桥梁-2（匹兹堡超级计算中心）是我们所做的根本。我们已经收到了很多支持极端科学和工程的发现环境（XSEDE由NSF资助。“

BrainLife。美国国家卫生研究院(NIH)和国防部也通过合作奖资助该项目。

Aina Puce是印第安纳大学的心理和大脑科学教授。她是一个关于Brainlife.io的自称新的Neophyte，但她是神经影像学的世界专家，以及NIH授权的主要调查人员，支持在平台上发展神经生理数据管理和分析。

Puce表示:“我在最前端帮助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，整合神经生理数据和核磁共振数据。研究包括明确地将大脑结构和大脑功能联系起来的研究，比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液流动和脑电活动如何变化。”

很快，一套新工具将在Brainlife.IO上提供用于用户整合EEG（脑电图），MEG（磁性脑图）和MRI（磁共振成像）数据，这些数据是“独特的，并且对科学和科学和科学都会有多友好地帮助社会，“她说。

Puce和团队目前正在通过记录电输出来探索大脑活动，无论是非侵入性的来自头皮，又侵入头部。它们还检测了一个人在休息时产生的磁场，而他们正在执行从其他人阅读社交消息的任务。“这是我们在Brainlife.io的首次带来的，”Puce说。

数据驱动器发现

神经科学领域从小数据集移动到大数据集。较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统计的强大的洞察力。

从1,000个受试者到10,000个受试者再到500,000个受试者——数据集在不断增长。

例如，青少年脑认知发展研究是美国大脑发育和儿童健康的最大，长期研究之一。该研究正在收集来自超过10,000个青春期大脑的数据，以了解从青春期到年轻成年的生物和行为发展。在世界的另一个部分中，英国Biobank包含来自超过500,000名参与者的深入健康信息，他们为您提供了良好的科学遗传和临床数据;这些参与者中的100,000名参与者捐赠了大脑扫描。

“随着每个新项目的扩展，”鼠疫利说，“数据集的大小也会扩展，因此，对存储和计算的需求也会发生变化。我们正在构建只有超级计算机才能有效处理的规模和影响的数据集。随着机器学习和人工智能方法的最新出现，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说神经科学研究除非建造了一个凝聚力的生态系统，否则将赋予硬件和软件需求的凝聚力生态系统，鉴于要探索大量数据和下一代问题，否则将融入硬件和软件需求。

他说，到目前为止所开发的许多工具不易集成到典型的工作流程或准备使用中。“为了对神经科学产生影响并将学科连接到最前沿的技术，如机器学习和人工智能等，社区需要一个云计算和数据科学的凝聚力基础设施，使所有这些巨大的工具，图书馆，数据档案，他说，更接近正在为社会良好工作的研究人员更接近研究人员。“

幸运的是，Pstilli发现了一个志同道合的合作者，他在德克萨斯高级计算中心（TACC）的执行董事和HPC的国家公认的领导者中，在Dan Stanzione分享了这一愿景。

他们共同计划创建一个国家基础设施，为永久数据提供注册表并分析记录。研究人员将能够找到数据，更透明地看到如何进行分析的根源。基础设施将促进NSF）在数据建议中需要什么，以及研究人员想要的，这是科学的影响和再现性。

此外，这意味着数据、分析方法和计算资源的获取将朝着更加公平的模式发展，为更多的学生、教育者和研究人员提供机会。“这一前景让我对加入德克萨斯大学奥斯丁分校感到非常兴奋，”普列斯利说。他于2020年8月搬到奥斯汀，就在COVID-19大流行期间。在德州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重要组成部分。”

这项研究发表在自然科学报告．