借助全球运算速度最快的超级计算机之一，科学家打造出迄今最全面、最符合生物真实性的动物大脑模拟系统之一。相关研究成果在11月中旬举行的2025年全球超级计算大会（SC25）上进行了详细阐述。
科学家以亚细胞分辨率对整个小鼠皮质神经元进行生物物理的详细模拟。图片来源：Barry Isralewitz
这一小鼠全皮层数字重建模型为研究人员提供了探索大脑功能的新途径——可在虚拟环境中复现阿尔茨海默病或癫痫等疾病状态，追踪损伤在神经回路中的传播路径，并深入研究认知与意识相关过程。该模拟包含近1000万个神经元、260亿个突触及86个相互连接的脑区，能以高分辨率捕捉大脑的结构与活动特征。
美国艾伦研究所、日本电气通信大学与另外3家日本机构合作牵头开展了这项研究。研究人员可利用这一虚拟皮层，研究神经系统疾病的发病机制、脑电波对注意力的影响，及癫痫发作在神经网络中的传播路径。
过去，这类问题需要借助真实脑组织，且只能通过单项实验逐一验证。而现在借助该模型，科学家能够在数字空间中同时测试多种假设。这些模拟不仅可能在症状出现前就为脑部疾病的早期发病迹象提供线索，还能为评估潜在疗法提供安全的测试平台。
“这表明大门已经敞开。只要具备足够的计算能力，我们就能高效运行这类大脑模拟。”参与该项目的艾伦研究所研究员Anton Arkhipov表示，“这是一个技术里程碑，让我们相信更大规模的模型不仅可行，而且能够实现高精度与高尺度的统一。”
这项合作研究融合了深厚的神经科学知识与世界级超级计算机的运算能力。艾伦研究所利用细胞类型数据库和连接图谱中的数据，为虚拟大脑奠定了生物学基础；而日本顶级高性能计算机“富岳”则承担了生成该模型所需的海量计算任务。
“富岳”由日本理化学研究所与富士通联合研发，是全球运算速度最快的计算机之一，每秒可处理超过400千万亿次运算。如果以每秒数1个数的速度计数，需要超过127亿年才能数完，这接近宇宙年龄138亿年。
“‘富岳’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提供支持。”参与研究的日本电气通信大学的Tadashi Yamazaki表示，“这次我们将其用于神经回路模拟研究。”
该超级计算机由多个名为“节点”的小型处理单元组成。这些节点通过单元、机架和机柜进行组装，形成包含158976个节点的系统，能够处理海量数据与复杂计算任务。
研究团队利用艾伦研究所的大脑建模工具包，将生物数据转化为功能完备的皮层数字重建模型。为模拟活神经元的行为，一款名为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、传递信号并进行通信。
观察该模拟过程，类似于观测活体大脑活动。该模型再现了神经元结构、突触活动及细胞膜电信号传导的细微细节。“这是一项技术壮举，但仅仅是第一步。”Yamazaki表示，“细节决定成败，因此我认为生物物理层面的精细化模型至关重要。”
“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。”Arkhipov表示，“我们目前正从单个脑区建模向小鼠全脑模拟迈进。”
凭借如此强大的计算系统，构建完整、符合生物真实性的大脑模型正从概念走向现实。科学家正迈入一个新时代——理解大脑的同时构建大脑。
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