超级计算机模拟出最逼真的虚拟大脑

这一重大成就是借助日本顶级高性能超级计算机“富岳”实现的，该计算机每秒可进行千万亿次计算。艾伦研究所的科学家与日本电気通信大学的山崎正博士，联合另外三家日本机构共同主导了这项研究。完整研究成果将在11月中旬举行的全球顶级超级计算大会SC25上发布的论文中详细阐述。

探索疾病与脑功能的新方法
研究人员可利用这一虚拟皮层研究神经疾病的形成机制、脑波如何影响注意力，以及癫痫如何在神经网络中传播。过去，这类问题需要真实的脑组织，且只能通过单个实验来研究。借助该模型，科学家可以在数字空间中测试多种想法。这些模拟有望在症状出现前为脑疾病的发病机制提供早期线索，并为评估潜在疗法提供安全的途径。

“这表明大门已经打开。我们可以凭借足够的计算能力有效运行这类大脑模拟，”参与该项目的艾伦研究所研究员安东·阿尔希波夫博士表示，“这是一个技术里程碑，让我们有信心：更大规模的模型不仅可能实现，而且能够以精准度和规模达成。”

这项合作将深厚的神经科学知识与世界级计算机的处理能力相结合。艾伦研究所利用艾伦细胞类型数据库和艾伦连接图谱的数据，为虚拟大脑提供了生物学基础；而“富岳”则负责生成该模型所需的海量计算。

研究人员如何创建全皮层模拟
由理化学研究所（RIKEN）和富士通联合研发的“富岳”，是有史以来速度最快的计算机之一，每秒可处理超过400千万亿次运算。为理解这个数字的规模，若以每秒数一次的速度数到这个数，需要超过127亿年（宇宙年龄约为138亿年）。该系统得名“富岳”，取自富士山，体现了其深远的能力和卓越的性能。

“‘富岳’被广泛应用于天文学、气象学、药物研发等多个计算科学领域的研究，为解决诸多社会问题做出贡献，”山崎表示，“此次，我们将‘富岳’用于神经回路模拟。”

这台超级计算机由许多被称为“节点”的小型处理单元组成。这些节点被组织成单元、机架和机柜，形成一个总计158,976个节点的系统，能够处理海量数据和计算任务。

从生物数据到“活的”数字皮层
研究团队利用艾伦研究所的大脑建模工具包（Brain Modeling ToolKit），将生物数据转化为功能正常的皮层数字重建模型。为模拟活神经元的行为，一种名为Neulite的工具将数学方程转化为虚拟神经元，这些虚拟神经元能够像真实神经元一样产生脉冲、发送信号和进行通信。

观察该模拟类似于观察真实的大脑活动。该模型再现了神经元结构、突触活动以及细胞膜上的电信号传导等精细细节。“这是一项技术成就，但这只是第一步，”山崎说，“细节决定成败，因此我相信在生物物理层面详细的模型中，这一点尤为重要。”

“我们的长期目标是利用研究所发现的所有生物学细节，构建全脑模型，最终甚至是人类大脑模型，”阿尔希波夫表示，“我们现在正从单个脑区建模转向模拟小鼠的整个大脑。”凭借如此强大的计算系统，构建完整、生物学准确的大脑模型的可能性正从概念走向现实。科学家们正进入一个新的时代——理解大脑也意味着能够构建大脑。

这项前沿研究由一个国际团队共同完成，成员包括劳拉·格林博士、比阿特丽斯·埃雷拉博士、戴尔·凯尔学士、栗山凛硕士和赤井香耶博士等。