ヒト規模の脳神経回路シミュレーション を目指して: 小脳の場合 · j comp...
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ヒト規模の脳神経回路シミュレーションを目指して: 小脳の場合
山﨑 匡 (電通大)NumericalBrain.Org
2017年10月26日 科学技術計算分科会 2017年度会合 @ANAクラウンプラザホテル神戸
大学院生募集中
修士博士問わず
給料払えます
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今日の内容
1. (小)脳について
2. 人工小脳の開発
2.1. 小脳神経回路シミュレーション
2.2. ネコスケール人工小脳の開発
2.3. リアルタイムシミュレーションの御利益
3. ヒトスケール小脳の開発に向けて
今日の目標「小脳ってすごい!」と思ってもらえること
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人工の脳を作ることに相当
EUのThe Human Brain Project
神経回路シミュレーションとは
Markram et al. Cell (2015)
・仮説の検証・神経回路の挙動の再現脳のシステム的理解
・実験結果の解釈と予言
ヒト全脳シミュレーション10年で10億ユーロ
JUQUEEN (IBM, 5.9PFs)
実験ではできない操作が可能 解剖
生理
行動実験可能
実験可能
実験可能
実験可能?
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小脳
大脳と小脳
大脳
大脳 小脳
体積比 80% 10%
細胞数 1.6×1010 (19%)
6.9×1010 (80%)
Azevedo FA et al. Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. J Comp Neurol. 513:532-541, 2009.
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Pons (橋核)
Granule cell (顆粒細胞)
Purkinje cell (プルキンエ細胞)Climbing fiber (登上線維)
Inferior olive (下オリーブ核)
*
Parallel fiber (平行線維)
Mossy fiber (苔状線維)
小脳 = 教師付学習機械(Marr 1969; Albus 1971; Ito 1982)(aka Marr-Albus-Ito model)
小脳はパーセプトロン
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小脳の役割
一次運動野 身体部位(例えば腕) 実現軌道
感覚系
運動指令高次運動野
目標軌道 -+
小脳
+ +
フィードバック誤差学習 (Kawato 1987)
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2. 人工小脳の開発
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Golgi cells
Granule cellsPurkinje cells
Basket cells
Inferior olive
Inpu
t
Inpu
t
Output
Mossy fibers
Parallel fibers
Climbing fiber
ExcitatoryInhibitory Vestibular
nuclei
ニューロンモデルはスパイキングニューロン (積分発火型)
2 x 2 mm21048576 GR1024 GO32 PKJ32 BS1 IO1 VN
実装する小脳回路2x2 mm2の微小複合体を実装 (厚さ方向は押しつぶす)
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シミュレーションのコード概要
for ( int nt = 0; nt < NT; nt++ ) { for ( int i = 0; i < N; i++ ) {//ニューロン シナプス入力の計算 ( i ); } for ( int i = 0; i < N; i++ ){//ニューロン 膜電位の更新 ( i ); スパイク生成 ( i ); } }
入力
状態出力
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分子層ネットワークダイナミクス
(Lennon et al., Front Comput Neurosci 2014)
(Hausser & Clark, Neuron 1997)
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2.1. 小脳神経回路シミュレーション
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小脳と運動学習
運動制御 = ゲイン + タイミング運動の大きさ 運動の開始と終了
・運動制御・運動学習において重要・損傷→運動失調・運動学習障害
適切なパラメータを発見・記憶として保持 = 運動学習
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音
エアパフ
まばたき
時間
時間
時間
瞬目反射の条件づけ
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US
CS CR
IO
小脳皮質
CNPN 苔状線維
登上線維
顆粒細胞
プルキンエ細胞
小脳核
下オリーブ核
橋核(音)
(エアパフ)
(まばたき)
瞬目反射条件づけの小脳回路
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0
10
20
30
40
50
0 200 400 600 800 1000
neur
on in
dex
time (ms)
顆粒細胞の発火パターン
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音時間
音
顆粒細胞集団苔状線維 平行線維
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音
エアパフ
プルキンエ細胞
下オリーブ核
登上線維
時間
時間
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-60
-40
-20
0
20
0 200 400 600 800 1000
mem
bran
e po
tent
ial (
mV)
time (ms)
PKJ ID = 11, 94 spikes
0 200 400 600 800 1000time (ms)
PKJ ID = 1, 27 spikes
0 200 400 600 800 1000time (ms)
PKJ ID = 11, 30 spikes
-80
-60
-40
-20
0
0 200 400 600 800 1000
mem
bran
e po
tent
ial (
mV)
time (ms)
CN ID = 1, 0 spikes
0 200 400 600 800 1000time (ms)
CN ID = 1, 2 spikes
0 200 400 600 800 1000time (ms)
CN ID = 1, 13 spikes
プルキンエ細胞
小脳核
(Yamazaki and Tanaka 2007)
シミュレーション結果
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小脳によるゲイン学習の例視機性眼球運動 (OKR)の適応
眼球の回転の大きさ = ゲイン
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視野速度 眼球運動苔状線維
網膜像のずれ
興奮性抑制性
登上線維
プルキンエ細胞顆粒層
平行線維
介在細胞伊藤仮説 (1979)
前庭核
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顆粒細胞のダイナミクス
時間 (ms)
ニューロン番号
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OKRのシミュレーション結果
0
20
40
60
80
0 500 1000 1500 2000
firin
g ra
te (s
pike
s/s)
time (ms)
0
20
40
60
80
0 500 1000 1500 2000fir
ing
rate
(spi
kes/
s)
time (ms)
プルキンエ細胞 前庭核
cycle #1cycle #10cycle #100
cycle #1cycle #10cycle #100
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2.2. ネコスケール人工小脳の開発
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1,008 PEZY-SCチップ (252/320ノード)を利用
・面積換算で 62×64 mm2
10億 (= 109) ニューロンからなる小脳回路を実装・ニューロン数でネコ1匹分の小脳相当
実時間シミュレーション・1秒間の小脳の神経活動を1秒以内でシミュレート・Δt = 1 ミリ秒
・4月上旬の時点で単精度ピーク性能2.6PFlops
もちろん世界最大最高速最も精緻
・実行効率 2.6%
ネコスケール人工小脳
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32個
31個
16個
実装の実際 (1/4)
1008チップをタイル上に並べて 平面を作る
1チップに2x2 mm2の回路を実装
1008 = 32 x 31 + 16
小脳を広げて平らにすることを 想像する
(厚さ方向は押しつぶす)
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シミュレーションのコード概要for ( int nt = 0; nt < NT; nt++ ) { for ( int i = 0; i < N; i++ ) {//ニューロン シナプス入力の計算 ( i ); } for ( int i = 0; i < N; i++ ){//ニューロン 膜電位の更新 ( i ); スパイク生成 ( i ); } }
入力
状態出力
for ( int nt = 0; nt < NT; nt++ ) { シナプス入力の計算 (); 膜電位の更新 (); スパイク生成 (); }
}カーネル呼び出しニューロンで並列
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1スレッド
t
t+Δt
Neuron 1
Neuron 2:
Neuron 1
Neuron 2:
t
t+Δt
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
スレッド
Thread 1 Thread 2 Thread N
N
カーネル=ニューロンの並列計算
カーネル実行
カーネル実行
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プルキンエ細胞へのシナプス入力
顆粒細胞の活動 xj
syn( i ) = Σ wijxj を計算
プルキンエ細胞 i32個/PEZY-SCチップ
j
262144個/プルキンエ細胞
(積和の計算)
wij の値を変える = シナプス可塑性
平行線維重み wij
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PEZY-SCチップの構成
PE: 計算コア (Processing Element)
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1 PC 1 PC
1 PC 1 PC
Compute syn( i ) = Σ wijxj0 ≦ i < 32 0 ≦ j < 262144
Reduction #1
#2
syn( i )Repeat 8 times
キャッシュ階層の利用
PC = Purkinje cell
j
リダクションの高速化
1024
256
262144
GiB)
16#3
#41
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計算と通信のオーバーラップ
カーネル実行
MPI通信
カーネル実行
MPI通信
時間
カーネル実行 MPI通信
カーネル実行 MPI通信
時間
: :
:
スパイクの配列をダブルバッファリング
1スレッド
t
t+Δt
Neuron 1
Neuron 2:
Neuron 1
Neuron 2:
t
t+Δt
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
スレッド
Thread 1 Thread 2 Thread N
N
1スレッド
t
t+Δt
Neuron 1
Neuron 2:
Neuron 1
Neuron 2:
t
t+Δt
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
スレッド
Thread 1 Thread 2 Thread N
N
1スレッド
t
t+Δt
Neuron 1
Neuron 2:
Neuron 1
Neuron 2:
t
t+Δt
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
スレッド
Thread 1 Thread 2 Thread N
N
1スレッド
t
t+Δt
Neuron 1
Neuron 2:
Neuron 1
Neuron 2:
t
t+Δt
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
スレッド
Thread 1 Thread 2 Thread N
N
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通信そのものの削減
Yamazaki, Igarashi, Makino, Ebisuzaki (2017)Noisy delayed spike transmission
ニューロンの計算Nステップ毎に 1回通信
通信回数を1/Nに
MPI通信
MPI通信
時間: :
カーネル実行
カーネル実行
カーネル実行
カーネル実行
カーネル実行
カーネル実行
1スレッド
t
t+Δt
Neuron 1
Neuron 2:
Neuron 1
Neuron 2:
t
t+Δt
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
スレッド
Thread 1 Thread 2 Thread N
N
1スレッド
t
t+Δt
Neuron 1
Neuron 2:
Neuron 1
Neuron 2:
t
t+Δt
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
スレッド
Thread 1 Thread 2 Thread N
N
1スレッド
t
t+Δt
Neuron 1
Neuron 2:
Neuron 1
Neuron 2:
t
t+Δt
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
スレッド
Thread 1 Thread 2 Thread N
N
1スレッド
t
t+Δt
Neuron 1
Neuron 2:
Neuron 1
Neuron 2:
t
t+Δt
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
スレッド
Thread 1 Thread 2 Thread N
N
1スレッド
t
t+Δt
Neuron 1
Neuron 2:
Neuron 1
Neuron 2:
t
t+Δt
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
スレッド
Thread 1 Thread 2 Thread N
N
1スレッド
t
t+Δt
Neuron 1
Neuron 2:
Neuron 1
Neuron 2:
t
t+Δt
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
Neuron 1 Neuron 2 Neuron N
スレッド
Thread 1 Thread 2 Thread N
N
こういう工夫を積み上げてリアルタイムに近づける
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2.3. リアルタイムシミュレーションの御利益
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ロボット
バットバックネット
センサ
目標: ボールが飛んでくるタイミングを学習して打ち返す
1. ロボット制御
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Shutoh et al. Neuroscience (2006)
記憶の形成 = 獲得 + 定着
2. 長時間かかる脳内現象の再現
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視野速度 眼球運動苔状線維
網膜像のずれ
興奮性抑制性
登上線維
プルキンエ細胞
平行線維顆粒層
複数のシナプス可塑性が関与介在細胞
長期抑圧 (LTD)
長期増強 (LTP)
短期記憶
長期記憶
記憶の転送
・間接的な証拠が積み上がるばかり ・統一理論は提唱されていなかった
前庭核
Shutoh et al. (2006); Ito, Yamaguchi, Nagao, Yamazaki (2014)
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0.2
0.4
0.6
0.8
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
OKR
gai
n
Training period (day)
小脳学習における記憶定着の理論
ゲインの変化
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Sy
napt
ic w
eigh
tTraining period (day)
Cerebellarcortex
Cerebellarnucleus
Synaptic efficacy
シナプス結合の変化
・記憶の定着はトレーニング後に起こる・破壊実験や薬理実験の結果も再現成功
平行線維 (w)
苔状線維 (v)
Yamazaki et al. PNAS (2015)
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シミュレーション理論 (数学モデル)
0.2
0.4
0.6
0.8
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
OKR
gai
n
Training period (day)Yamazaki et al. PNAS (2015)
1週間のトレーニングを再現
Gosui & Yamazaki, Front Neuroanat (2016)
0.2
0.4
0.6
0.8
0 1 2 3 4 5 6 7O
KR g
ain
Training period (day)
OKRゲイン
(Modified)
1週間のトレーニングのシミュレーションが1週間でできる
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3.ヒトスケール小脳の開発に向けて
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ネコからヒトへ隣接する8チップのみとの通信 → 弱スケーリングは良好
32個
31個
16個
基本的にこのまま規模を大きくしていけば良い
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Confidential
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人工小脳の最終形態脳機能の一部を人工脳で補完する
運動の補完リハビリテーションQoLの向上
神経活動
運動指令実時間
人工小脳