據(jù)美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)優(yōu)睿科網(wǎng)站最新消息，美國科學(xué)家借助全球頂尖超級計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力，構(gòu)建了迄今為止規(guī)模最大、細(xì)節(jié)最豐富的動(dòng)物大腦模擬系統(tǒng)。這一虛擬模型完整復(fù)現(xiàn)了小鼠大腦皮層的結(jié)構(gòu)與功能，包含近1000萬個(gè)神經(jīng)元、260億個(gè)突觸，以及86個(gè)相互連接的腦區(qū)，成為研究大腦運(yùn)作機(jī)制的全新平臺。這也意味著科學(xué)家正站在一個(gè)全新的起點(diǎn)上——從理解大腦，正逐漸演變?yōu)闃?gòu)建大腦。

這項(xiàng)突破性成果是依托于日本超級計(jì)算機(jī)“富岳”實(shí)現(xiàn)的。“富岳”每秒可執(zhí)行千萬億次量級運(yùn)算，具備處理海量數(shù)據(jù)和復(fù)雜模擬任務(wù)的能力。

此次項(xiàng)目由美國艾倫腦科學(xué)研究所與日本電氣通信大學(xué)領(lǐng)銜，并聯(lián)合三家日本機(jī)構(gòu)共同完成。研究團(tuán)隊(duì)利用艾倫腦科學(xué)研究所提供的“艾倫細(xì)胞類型數(shù)據(jù)庫”和“艾倫連接圖譜”中的真實(shí)神經(jīng)生物學(xué)數(shù)據(jù)，為虛擬大腦提供了精確的生物物理基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)藍(lán)圖。再通過艾倫研究所自主研發(fā)的大腦建模工具包，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的數(shù)字皮層模型。

在模擬過程中，專用神經(jīng)元模擬器“Neulite”將數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)化為具有真實(shí)生物行為的神經(jīng)元。這些虛擬神經(jīng)元能夠像活體細(xì)胞一樣產(chǎn)生電脈沖、傳遞信號并形成動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)模擬過程高度逼真，不僅再現(xiàn)了神經(jīng)元的樹突分支結(jié)構(gòu)，還完整呈現(xiàn)了突觸間的信號傳遞過程，以及細(xì)胞膜電位的波動(dòng)變化，仿佛在實(shí)時(shí)觀察真實(shí)的腦組織活動(dòng)。

科學(xué)家現(xiàn)在可以利用這一模型，以前所未有的方式探索大腦機(jī)制。他們能在虛擬環(huán)境中模擬阿爾茨海默病、癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，追蹤病變?nèi)绾卧谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散，也可以研究腦電波的形成機(jī)制、注意力的神經(jīng)基礎(chǔ)或癲癇發(fā)作的傳播路徑。過去，這些問題只能通過一次一項(xiàng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，耗時(shí)且難以重復(fù)。如今，科學(xué)家可以快速提出假設(shè)，并在數(shù)字大腦中反復(fù)測試，極大提升了研究效率。

該成果為理解認(rèn)知與意識的神經(jīng)基礎(chǔ)提供了新工具，有望揭示腦部疾病在癥狀出現(xiàn)前的早期變化，評估潛在療法，加速新藥研發(fā)進(jìn)程。

團(tuán)隊(duì)表示，盡管這是一項(xiàng)重大進(jìn)展，但仍只是邁向全腦模擬的第一步。真正的挑戰(zhàn)在于細(xì)節(jié)，只有充分還原生物物理層面的復(fù)雜性，模型才更具有科學(xué)價(jià)值。團(tuán)隊(duì)的長遠(yuǎn)目標(biāo)是邁向人類大腦的數(shù)字化重建。