在巴塞羅那郊區(qū)一座19世紀(jì)小教堂的墻壁上，一顆心在慢慢收縮。但這不是一顆真正的心臟，而是一顆仍在患者胸腔內(nèi)跳動(dòng)的心臟的虛擬副本——所謂的“數(shù)字孿生體”，其擁有100億個(gè)模擬細(xì)胞。

美國(guó)《時(shí)代》周刊在近日的報(bào)道中指出，目前全球很多科學(xué)家正在構(gòu)建包括心臟等在內(nèi)的人體器官和組織的數(shù)字孿生體，這些模型可廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)和預(yù)防疾病、測(cè)試療法等多個(gè)方面，有望徹底改變未來(lái)醫(yī)學(xué)的面貌，實(shí)現(xiàn)真正的個(gè)性化醫(yī)療。

人體器官“數(shù)字孿生”頻現(xiàn)

“數(shù)字孿生”是近年來(lái)最受矚目的技術(shù)趨勢(shì)之一。事實(shí)上，已經(jīng)有一些大公司將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到航空航天與防務(wù)、自然資源、建筑與智慧城市等領(lǐng)域，當(dāng)然也包括醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

讓我們想象一下：醫(yī)生在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)了我們每個(gè)人的數(shù)字副本，萬(wàn)一我們出現(xiàn)任何事故或疾病，專家們會(huì)首先在這個(gè)副本身上測(cè)試治療方法。雖然這聽(tīng)起來(lái)像科幻，但全世界已經(jīng)有多個(gè)團(tuán)隊(duì)致力于研究并提升此項(xiàng)技術(shù)。科學(xué)家們認(rèn)為，最好的起點(diǎn)是心臟。

在德國(guó)海德堡大學(xué)醫(yī)院，放著一名患者真實(shí)心臟的數(shù)字孿生體，其外觀和律動(dòng)與原心臟一樣，且每個(gè)細(xì)胞、每塊肌肉也與真人的心臟無(wú)異，唯一不同的是，它只在屏幕中存在和“呼吸”。

《時(shí)代》周刊報(bào)道指出，世界多地正在創(chuàng)建心臟的數(shù)字孿生體。如英國(guó)倫敦國(guó)王學(xué)院雷扎·拉扎維團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建數(shù)字孿生心臟模型來(lái)預(yù)測(cè)心動(dòng)過(guò)速，這是心臟性猝死的主要原因；美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)娜塔莉·特拉婭諾娃團(tuán)隊(duì)也在創(chuàng)建心臟的數(shù)字孿生體，以幫助治療不規(guī)則心跳；西班牙巴塞羅那超級(jí)計(jì)算機(jī)中心科學(xué)家開(kāi)發(fā)的心臟數(shù)字孿生模型由約1億個(gè)虛擬心臟細(xì)胞組成，可揭示衰竭的心臟如何失去泵送能力，以及心臟藥物引起的危險(xiǎn)心律失常。

據(jù)美國(guó)醫(yī)學(xué)未來(lái)學(xué)家網(wǎng)站報(bào)道，也有公司開(kāi)發(fā)出了人體其他器官的數(shù)字孿生模型。如惠普與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院合作開(kāi)展的“藍(lán)腦項(xiàng)目”，利用其超級(jí)計(jì)算機(jī)，為研究目的創(chuàng)建大腦的數(shù)字模型；西門子公司也在開(kāi)發(fā)肺和肝臟等器官的數(shù)字孿生模型。

人工智能和超算加持

在人工智能與超級(jí)計(jì)算機(jī)的加持下，數(shù)字孿生體的用途日益廣泛。

海德堡大學(xué)醫(yī)院的數(shù)字孿生體可在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，幫助醫(yī)生預(yù)測(cè)患者真實(shí)的心臟對(duì)特定治療的反應(yīng)。參與這些項(xiàng)目的科學(xué)家們認(rèn)為，這種創(chuàng)造虛擬細(xì)胞、組織和器官的研究是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的革命性舉措。

人工智能技術(shù)有助于科學(xué)家們?yōu)槿梭w器官設(shè)計(jì)數(shù)字孿生體。西門子醫(yī)療公司正在龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)上訓(xùn)練其算法，該數(shù)據(jù)庫(kù)包含超過(guò)2.5億張帶注釋的圖像、報(bào)告和手術(shù)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)可借此根據(jù)患者數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)其數(shù)字心臟模型。醫(yī)生可在模型上測(cè)試療法并查看結(jié)果，最終為特定患者選擇最佳療法。

此外，英國(guó)牛津大學(xué)計(jì)算醫(yī)學(xué)教授布蘭卡·羅德里格斯團(tuán)隊(duì)達(dá)到了心臟數(shù)字孿生領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑：其心臟數(shù)字孿生提供的預(yù)測(cè)結(jié)果比同類動(dòng)物研究獲得的結(jié)果更準(zhǔn)確。例如，在一項(xiàng)虛擬的藥物試驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)在人體心臟細(xì)胞數(shù)字孿生模型中測(cè)試了62種藥物和化合物導(dǎo)致心律異常的風(fēng)險(xiǎn)，在一千多次試驗(yàn)中準(zhǔn)確率為89%，而動(dòng)物研究的準(zhǔn)確性為75%。

未來(lái)可期，挑戰(zhàn)仍巨

德國(guó)海德堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院心臟病專家本雅明·梅德?tīng)栔赋觯�未�?lái)的醫(yī)生了解某個(gè)病人所有的器官功能，所有的細(xì)胞功能，將能提前幾周或幾個(gè)月預(yù)測(cè)哪些患者會(huì)生病，某名患者對(duì)某種療法會(huì)產(chǎn)生何種反應(yīng)，哪些患者對(duì)某種療法受益最大等，這可能會(huì)徹底改變醫(yī)學(xué)的面貌。

不過(guò)，運(yùn)行人體或器官數(shù)字孿生體所需的計(jì)算能力可能令人望而生畏。例如，對(duì)于“藍(lán)腦項(xiàng)目”，為單個(gè)神經(jīng)元建模就需要求解大約2萬(wàn)個(gè)常微分方程。對(duì)于整個(gè)大腦區(qū)域，必須同時(shí)求解100億個(gè)方程。

此外，也有科學(xué)家建議對(duì)該技術(shù)進(jìn)行監(jiān)管。人體器官數(shù)字孿生研究專家、英國(guó)科學(xué)家丹尼斯·諾布爾指出，10年后，人們將看到人類的數(shù)字孿生體。技術(shù)本身并不壞，問(wèn)題是它的用途，因此有必要進(jìn)行道德辯論并制定法律對(duì)其發(fā)展予以規(guī)范，以確保技術(shù)不被濫用。