不管你有沒(méi)有孿生兄弟，現在，你的大腦有了“孿生兄弟”。

這個(gè)大腦的“孿生兄弟”叫作“數字孿生腦”（DTB）。就像人類(lèi)大腦的“備份”或克隆體，科學(xué)家不僅可以用它整合各類(lèi)生物腦研究結果，還可以揭示腦機理、啟發(fā)類(lèi)腦智能、解鎖所有和腦有關(guān)的疾病

近日，電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院神經(jīng)工程與神經(jīng)數據團隊（中國醫學(xué)科學(xué)院神經(jīng)信息創(chuàng )新單元）成功建立了數字孿生腦模型，并基于該模型開(kāi)展了穩態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位響應機制研究。相關(guān)成果已在《神經(jīng)影像》上發(fā)表。

類(lèi)腦智能研究成熱點(diǎn)

人類(lèi)大腦是21世紀最偉大的科學(xué)研究領(lǐng)域之一。

“作為現代神經(jīng)科學(xué)與類(lèi)腦智能間的關(guān)鍵橋梁，以跨尺度腦模擬為代表的計算神經(jīng)科學(xué)技術(shù)在幫助揭示腦工作機理、發(fā)展類(lèi)腦智能與通用人工智能算法、開(kāi)發(fā)類(lèi)腦形態(tài)計算芯片等方面起著(zhù)至關(guān)重要的作用?！痹搱F隊負責人、電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授堯德中告訴《中國科學(xué)報》。

在利用計算神經(jīng)科學(xué)技術(shù)開(kāi)展腦科學(xué)研究方面，世界其他國家和組織都在緊鑼密鼓地布局。

2013年，歐盟發(fā)起為期十年的人類(lèi)大腦研究計劃——人類(lèi)腦計劃（HBP）。該計劃的核心目標是通過(guò)計算機模擬大腦，建立一套完整的生成、分析、整合、模擬腦數據的通用平臺。人類(lèi)大腦包含約860億個(gè)神經(jīng)元，將大腦模擬到神經(jīng)元水平需要測量它們自身和相互間的所有微妙特性。面對如此龐大的科學(xué)問(wèn)題，計算機的處理能力仍然有限，無(wú)法在實(shí)際可行時(shí)間內執行這些計算。在HBP的大腦模擬子項目中，研究者以體素/腦區為最小單元,建立全腦動(dòng)力學(xué)模擬模型——虛擬腦（TVB），該平臺的主要應用是腦疾病機制研究，其典型應用場(chǎng)景是癲癇患者的個(gè)體化精準治療。

2019年，谷歌發(fā)布了果蠅大腦神經(jīng)元的3D模型（神經(jīng)元的三維結構重建）。該神經(jīng)元模型表征了果蠅大腦神經(jīng)元的幾何拓撲形狀。在此基礎上，谷歌進(jìn)一步利用大數據和腦連接組，重構了果蠅神經(jīng)元間的連接組。

“這些工作都是從腦切片的3D幾何重建入手，構建神經(jīng)元間的幾何形狀以及神經(jīng)元間的直接連接形態(tài)，因此只是結構模型，尚不具備功能意義?！眻虻轮姓f(shuō)，“從功能的角度講，這些模型還不是孿生腦，但可以作為未來(lái)進(jìn)一步研制DTB的結構基礎?！?/span>

國內首個(gè)孿生腦平臺

近年來(lái)，“數字孿生”的概念逐步進(jìn)入人們視野。

這一概念由美國國防部提出，最初是利用數字技術(shù)，建立真實(shí)飛機模型，并通過(guò)傳感器實(shí)現與飛機真實(shí)狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據結構現有情況和過(guò)往載荷，可以及時(shí)分析評估是否需要維修、能否承受下次的任務(wù)載荷等。

“通俗地說(shuō)，數字孿生是創(chuàng )建在信息化平臺上虛擬的‘備份’或‘克隆體’?！眻虻轮薪忉屨f(shuō)，“數字孿生腦是基于計算神經(jīng)科學(xué)理論、融合多模態(tài)神經(jīng)影像數據建立的一種全腦尺度的動(dòng)態(tài)腦功能的計算模擬平臺。數字孿生腦基于彌散磁共振成像獲取的大腦內部結構連接信息，作為確定模型內部連接的基礎，再利用磁共振功能成像和腦電磁成像獲得的功能信息，對模型參數進(jìn)行優(yōu)化。由此得到的模型，將同時(shí)在結構和功能上類(lèi)腦，因此可稱(chēng)之為數字孿生腦模型?！?/span>

基于計算神經(jīng)科學(xué)理論，研究人員通過(guò)融合多模態(tài)神經(jīng)成像數據，引入并優(yōu)化國際先進(jìn)的“結構—功能”迭代優(yōu)化理論，建立了國內首個(gè)數字孿生腦計算平臺，并在功能圖譜層次實(shí)現了對大尺度腦動(dòng)態(tài)的精準模擬。

“該平臺在建立時(shí)，引入了基于大腦功能數據的反演優(yōu)化算法，因此仿真精準度更高?！彪娮涌萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授郭大慶對《中國科學(xué)報》說(shuō)，“這一優(yōu)勢使得DTB平臺的應用領(lǐng)域更加廣泛。除了在腦疾病上的應用以外，數字孿生腦平臺還將致力于結合實(shí)驗范式探究腦功能與腦認知，因此在認知神經(jīng)科學(xué)、類(lèi)腦智能、腦機接口等領(lǐng)域有更廣闊的應用前景?！?/span>

讓人工智能邁上新臺階

“與歐盟的虛擬腦相比，數字孿生腦模型更全面地利用了多模態(tài)神經(jīng)成像數據，并采用‘功能—結構’互約束迭代優(yōu)化的參數優(yōu)化方法，在神經(jīng)活動(dòng)、血氧信號等多個(gè)模態(tài)上，實(shí)現了對高維‘時(shí)—空’腦動(dòng)態(tài)信息交互與腦功能圖譜的更精準模擬?！惫髴c說(shuō)。

目前，DTB作為國內第一家數字孿生腦模型平臺，已經(jīng)歷了兩個(gè)版本的迭代。

“數字孿生腦模型平臺支持的腦區規模和模擬精度均已處于國際領(lǐng)先行列?！痹撜撐牡谝蛔髡邚堌┦空f(shuō)，“同時(shí)，在腦動(dòng)態(tài)模型構建過(guò)程中，DTB可支持多種動(dòng)力學(xué)模型選擇，具備整合皮層下重要核團的能力，并基于并行加速實(shí)現了對模型的高效仿真和數據的實(shí)時(shí)展示?！?/span>

研究認為，大腦是由不同功能子區域交互構成的復雜動(dòng)力學(xué)系統，而腦功能是由分布于多腦區的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的。

堯德中介紹說(shuō)，通過(guò)數字孿生腦可以幫助人們揭示大腦的基本工作原理，因此它是連接神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗（微觀(guān)）與心理認知行為觀(guān)測（宏觀(guān)）的橋梁，在類(lèi)腦智能、腦機接口等研究中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。此外，由于DTB具備整合皮層下重要核團和結構的能力，因此“其在腦疾病的調控中比歐盟的虛擬腦更具優(yōu)勢”。

“DTB是生物腦的‘數字兄弟’，可與腦機接口建立合作關(guān)系?！惫髴c解釋說(shuō)，“腦機接口是生物腦和計算設備之間的信息通道，實(shí)現生物腦與設備之間的信息交換，其效果取決于對生物腦信號的解碼和反饋信息的編碼，其中生物腦是作為一個(gè)黑箱參與其中的，這極大地限制了腦機接口的發(fā)展?！?/span>

借助DTB，人們可以更深刻地去探討腦機接口的編解碼過(guò)程，闡明現行各種腦機接口的機制并探索發(fā)現新的范式。事實(shí)上，堯德中團隊正著(zhù)力應用數字孿生腦技術(shù)開(kāi)展虛擬腦機接口相關(guān)機制研究。近期，他們利用數字孿生腦模型，研究了穩態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位（SSVEP）響應機制，證實(shí)了α波段（8-12Hz）刺激能激發(fā)更強的SSVEP響應，并揭示了這種頻率敏感特性是由非線(xiàn)性?shī)A帶和共振引起的，而且可以被大腦的內源性因素調節。這些工作加深了人們對SSVEP腦機接口中的大腦工作機制的認識，為進(jìn)一步優(yōu)化SSVEP腦機接口、開(kāi)發(fā)其應用提供了重要的理論支撐。

“理論上，在腦系統層面建立高精度數字孿生腦模型，不僅可以整合各類(lèi)生物腦研究結果，還可把解剖式生物學(xué)研究的斷面腦變成生動(dòng)的動(dòng)態(tài)腦和工作腦，因此可能是揭示腦機理、啟發(fā)類(lèi)腦智能、解鎖腦疾病的絕佳途徑?！眻虻轮薪淌谡f(shuō)，“該領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間，希望國內更多的優(yōu)秀團隊加入數字孿生腦的建立及應用中，發(fā)展具有中國特色世界領(lǐng)先的全腦尺度計算模型。相信未來(lái)的數字孿生腦可以通過(guò)模仿人類(lèi)神經(jīng)系統的工作原理，成為一定意義上的通用智能系統，讓人工智能邁上新的臺階，在思考、決策上接近于人腦?！?/span>

來(lái)源：《中國科學(xué)報》