借助全球運算速度最快的超級計算機之一，科學家打造出迄今最全面、最符合生物真實性的動物大腦模擬系統之一。相關研究成果在11月中旬舉行的2025年全球超級計算大會（SC25）上進行了詳細闡述。
科學家以亞細胞分辨率對整個小鼠皮質神經元進行生物物理的詳細模擬。圖片來源：Barry Isralewitz
這一小鼠全皮層數字重建模型為研究人員提供了探索大腦功能的新途徑——可在虛擬環境中復現阿爾茨海默病或癲癇等疾病狀態，追蹤損傷在神經回路中的傳播路徑，并深入研究認知與意識相關過程。該模擬包含近1000萬個神經元、260億個突觸及86個相互連接的腦區，能以高分辨率捕捉大腦的結構與活動特征。
美國艾倫研究所、日本電氣通信大學與另外3家日本機構合作牽頭開展了這項研究。研究人員可利用這一虛擬皮層，研究神經系統疾病的發病機制、腦電波對注意力的影響，及癲癇發作在神經網絡中的傳播路徑。
過去，這類問題需要借助真實腦組織，且只能通過單項實驗逐一驗證。而現在借助該模型，科學家能夠在數字空間中同時測試多種假設。這些模擬不僅可能在癥狀出現前就為腦部疾病的早期發病跡象提供線索，還能為評估潛在療法提供安全的測試平臺。
“這表明大門已經敞開。只要具備足夠的計算能力，我們就能高效運行這類大腦模擬。”參與該項目的艾倫研究所研究員Anton Arkhipov表示，“這是一個技術里程碑，讓我們相信更大規模的模型不僅可行，而且能夠實現高精度與高尺度的統一。”
這項合作研究融合了深厚的神經科學知識與世界級超級計算機的運算能力。艾倫研究所利用細胞類型數據庫和連接圖譜中的數據，為虛擬大腦奠定了生物學基礎；而日本頂級高性能計算機“富岳”則承擔了生成該模型所需的海量計算任務。
“富岳”由日本理化學研究所與富士通聯合研發，是全球運算速度最快的計算機之一，每秒可處理超過400千萬億次運算。如果以每秒數1個數的速度計數，需要超過127億年才能數完，這接近宇宙年齡138億年。
“‘富岳’廣泛應用于天文學、氣象學、藥物研發等多個計算科學領域的研究，為解決諸多社會問題提供支持。”參與研究的日本電氣通信大學的Tadashi Yamazaki表示，“這次我們將其用于神經回路模擬研究。”
該超級計算機由多個名為“節點”的小型處理單元組成。這些節點通過單元、機架和機柜進行組裝，形成包含158976個節點的系統，能夠處理海量數據與復雜計算任務。
研究團隊利用艾倫研究所的大腦建模工具包，將生物數據轉化為功能完備的皮層數字重建模型。為模擬活神經元的行為，一款名為Neulite的工具將數學方程轉化為虛擬神經元，這些虛擬神經元能夠像真實神經元一樣產生脈沖、傳遞信號并進行通信。
觀察該模擬過程，類似于觀測活體大腦活動。該模型再現了神經元結構、突觸活動及細胞膜電信號傳導的細微細節。“這是一項技術壯舉，但僅僅是第一步。”Yamazaki表示，“細節決定成敗，因此我認為生物物理層面的精細化模型至關重要。”
“我們的長期目標是利用研究所發現的所有生物學細節構建全腦模型，最終甚至是人類大腦模型。”Arkhipov表示，“我們目前正從單個腦區建模向小鼠全腦模擬邁進。”
憑借如此強大的計算系統，構建完整、符合生物真實性的大腦模型正從概念走向現實。科學家正邁入一個新時代——理解大腦的同時構建大腦。
本文鏈接：迄今最全面最逼真的虛擬大腦問世http://www.sq15.cn/show-11-28551-0.html
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