據美國科學促進會優睿科網站最新消息，美國科學家借助全球頂尖超級計算機的強大算力，構建了迄今為止規模最大、細節最豐富的動物大腦模擬系統。這一虛擬模型完整復現了小鼠大腦皮層的結構與功能，包含近1000萬個神經元、260億個突觸，以及86個相互連接的腦區，成為研究大腦運作機制的全新平臺。這也意味著科學家正站在一個全新的起點上——從理解大腦，正逐漸演變為構建大腦。
這項突破性成果是依托于日本超級計算機“富岳”實現的。“富岳”每秒可執行千萬億次量級運算，具備處理海量數據和復雜模擬任務的能力。
對小鼠整個皮層進行生物物理細節模擬，以神經元為單位并達到亞細胞級分辨率。圖片來源：艾倫腦科學研究所/日本電氣通信大學此次項目由美國艾倫腦科學研究所與日本電氣通信大學領銜，并聯合三家日本機構共同完成。研究團隊利用艾倫腦科學研究所提供的“艾倫細胞類型數據庫”和“艾倫連接圖譜”中的真實神經生物學數據，為虛擬大腦提供了精確的生物物理基礎和結構藍圖。再通過艾倫研究所自主研發的大腦建模工具包，將這些數據轉化為一個動態運行的數字皮層模型。
在模擬過程中，專用神經元模擬器“Neulite”將數學方程轉化為具有真實生物行為的神經元。這些虛擬神經元能夠像活體細胞一樣產生電脈沖、傳遞信號并形成動態網絡。整個模擬過程高度逼真，不僅再現了神經元的樹突分支結構，還完整呈現了突觸間的信號傳遞過程，以及細胞膜電位的波動變化，仿佛在實時觀察真實的腦組織活動。
科學家現在可以利用這一模型，以前所未有的方式探索大腦機制。他們能在虛擬環境中模擬阿爾茨海默病、癲癇等神經系統疾病，追蹤病變如何在神經網絡中擴散。也可以研究腦電波的形成機制、注意力的神經基礎或癲癇發作的傳播路徑。過去，這些問題只能通過一次一項的動物實驗來驗證，耗時且難以重復。如今，科學家可以快速提出假設，并在數字大腦中反復測試，極大提升了研究效率。
該成果為理解認知與意識的神經基礎提供了新工具，有望揭示腦部疾病在癥狀出現前的早期變化，評估潛在療法，加速新藥研發進程。
團隊表示，盡管這是一項重大進展，但仍只是邁向全腦模擬的第一步。真正的挑戰在于細節，只有充分還原生物物理層面的復雜性，模型才更具有科學價值。團隊的長遠目標是邁向人類大腦的數字化重建。
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